Гидрогеология и инженерная геология

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Федеральное государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Сибирский федеральный университет»
Авторы: Ю.Б. Дворецкая
Ж.Л.Цыкина
Гидрогеология и инженерная геология
Конспект лекций
Красноярск, 2008
1
УДК 551.49+624.131.1
Изложены основы гидрогеологии и инженерной геологии. Приведены
сведения об общей и горнопромышленной гидрогеологии, динамике подземных вод. Подробно охарактеризованы гидрогеологические задачи, решаемые
при освоении обводненных месторождений твердых полезных ископаемых.
Уделено внимание грунтоведению, инженерной геологии массивов горных
пород и инженерной геодинамике. Рассмотрен состав инженерногеологических изысканий на месторождениях твердых полезных ископаемых.
Для студентов специальности 130301 «Геологическая съемка, поиски и
разведка месторождений полезных ископаемых» очной формы обучения.
2
Оглавление
стр.
Введение ………………………………………………………………….
6
Модуль № 1 «Гидрогеология» ………………………………………….
7
1. Общая гидрогеология ……………………………………………...
7
1.1. Введение в гидрогеологию ………………………………….
7
1.1.1. Представления о воде. Научное содержание современной гидрогеологии …………………………………………
7
1.1.2. Общий круговорот воды в природе ……………………….
8
1.1.3. Вода в атмосфере и на поверхности Земли ………………
11
1.2. Вода в горных породах ……………………………………..
12
1.2.1. Водно-физические свойства горных пород и их показа13
тели ………………………………………………………….
1.2.2. Вода в горных породах …………………………………….
16
1.2.3. Участие воды в геологических процессах ………………..
19
1.3. Типы подземных вод ………………………………..............
20
1.3.1. Гидрогеологическая стратификация подземных вод ……
20
1.3.2. Классификация подземных вод по условиям залегания ...
24
1.4. Химический состав подземных вод ………………………..
38
1.4.1. Физические свойства подземных вод …………………….
38
1.4.2. Основные факторы формирования химического состава
подземных вод ……………………………………………...
39
1.4.3. Макрокомпоненты в подземных водах …………………...
42
1.4.4. Методы изучения химического состава воды ……………
43
1.4.5. Оценка качества воды для питья и технических целей ….
45
2. Динамика подземных вод ………………………………………….
47
2.1. Основы гидродинамики ……………………………………..
47
2.1.1. Виды движения воды в горных породах. Основные зако47
ны движения подземных вод ……………………………...
2.1.2. Основные гидродинамические элементы фильтрационного потока …………………………………………………
49
2.1.3. Установившееся и неустановившееся движение подземных вод в однородных пластах ……………………………
52
2.1.4. Понятие о водозаборах подземных вод и их классифика57
ция …………………………………………………………...
2.1.5. Притоки воды к водозаборным сооружениям ……………
60
2.2. Запасы и ресурсы подземных вод ………………………….
63
2.2.1. Естественные, искусственные и эксплуатационные запасы ……………………………………………………………
64
2.2.2. Классификация эксплуатационных запасов подземных
вод по степени изученности ……………………………….
65
3
стр.
2.2.3. Методы определения эксплуатационных запасов
подземных вод ……………………………………………...
2.2.4. Понятия о месторождениях пресных подземных вод.
Типы месторождений ……………………………………...
2.2.5. Условия эксплуатации и охрана подземных вод
от загрязнения ……………………………………………...
2.2.6. Требования к геологической информации в процессе
оценки эксплуатационных запасов подземных вод ……...
3. Методика гидрогеологических исследований ……………………
3.1. Гидрогеологические исследования на месторождениях
полезных ископаемых ……………………………………….
3.1.1. Стадии исследований и виды работ ………………………
3.1.2. Методы определения притоков воды в горные выработки …………………………………………………………….
3.1.3. Способы и средства осушения месторождений полезных
ископаемых …………………………………………………
3.1.4. Осушение месторождений полезных ископаемых и защита окружающей среды ………………………………….
3.2. Гидрогеохимические методы поисков месторождений полезных ископаемых ………………………………………….
3.2.1. Качество гидрохимической среды ………………………..
3.2.2. Термодинамический метод анализа гидрохимических
систем ……………………………………………………….
3.2.3. Формы миграции химических элементов в водных растворах ……………………………………………………….
3.2.4. Типы гидрохимических барьеров …………………………
3.2.5. Прогнозирование наличия месторождений полезных ископаемых ……………………………………………………
Модуль № 2 «Инженерная геология» ………………………………….
4. Инженерная петрология …………………………………………...
4.1. Основы грунтоведения ……………………………………..
4.1.1. Предмет и содержание инженерной геологии …………...
4.1.2. Региональная инженерная геология ………………………
4.1.3. Физико-механические свойства горных пород и методы
их искусственного улучшения …………………………….
4.1.4. Горно-геологические массивы ………………………........
5. Инженерная геодинамика ………………………………………….
5.1. Экзогенные геологические и инженерно-геологические
процессы и явления ………………………………………….
5.1.1. Инженерная геодинамика ………………………………….
4
70
72
74
75
77
77
77
81
83
88
89
90
92
94
96
97
101
101
101
101
103
106
118
121
121
121
стр.
5.1.2. Экзогенные геологические процессы и явления ………… 122
5.1.3. Инженерно-геологические процессы и явления ………… 127
5.2. Инженерно-геологические исследования в криолитозоне . 131
5.2.1. Многолетнемерзлые породы, состав, строение и условия
залегания …………………………………………………… 132
5.2.2. Экзогенные геологические процессы в криолитозоне ….. 134
5.2.3. Особенности инженерно-геологических исследований в
криолитозоне ………………………………………………. 136
5.3. Инженерно-геологические исследования при разведке и
разработке месторождений полезных ископаемых ………. 139
5.3.1. Факторы, оказывающие влияние на инженерногеологические условия ……………………………………. 139
5.3.2. Типизация месторождений по инженерно-геологическим
условиям …………………………………………………… 140
5.3.3. Требования к инженерно-геологическому изучению месторождений ……………………………………………….. 141
Список литературы ……………………………………………………... 146
5
Введение
Курс лекций по дисциплине «Гидрогеология и инженерная геология»
рассчитан для студентов специальности 130301 «Геологическая съемка, поиски и разведка месторождений полезных ископаемых» очной формы обучения
дисциплина преподается на кафедре Геологии месторождений и методики
разведки в 9 семестре обучения.
Как известно, подземные воды при разработке месторождений полезных ископаемых имеют весьма существенное значение, обусловливая необходимость проведения мероприятий по борьбе с притоками подземных вод в
горные выработки. Выбор тех или иных осушительных мероприятий и их эффективность всецело зависят от характера гидрогеологических условий месторождения (группы сложности) и степени гидрогеологической изученности
конкретных месторождений. В соответствии с этим горные инженеры, под
непосредственным руководством которых осуществляются все разведочные
работы, а также ведущие всю полевую производственно-техническую и геологическую документацию при бурении, должны обладать минимумом знаний по гидрогеологии и инженерной геологии, что является необходимым условием для обеспечения нужного качества разведочных работ.
Гидрогеологии в курсе лекций уделено большее внимание, т.к. в основе
определения физико-механических свойств горных пород находится вода,
при взаимодействии с которой изменяются прочностные характеристики пород. При обводненности месторождений полезных ископаемых это проявляется особенно интенсивно. Например, при разработке месторождений наблюдается пучение глинистых пород в подошве карьера, что связано с фильтрацией воды через слабопроницаемые породы. Многие горно-геологические явления, проявляющиеся в бортах открытых горных выработок и стволах подземных, связаны с деятельностью именно подземных вод, это карстовые явления, плывуны, суффозионные явления и др. Поэтому изучению динамики
подземных вод, определению притоков воды в горные выработки и методам
борьбы с подземными водами при освоении месторождений полезных ископаемых уделяется большое значение.
6
Модуль № 1 «Гидрогеология»
Раздел 1. Общая гидрогеология
Тема 1.1. Введение в гидрогеологию
План:
1.1.1. Представления о воде. Научное содержание современной гидрогеологии
1.1.2. Общий круговорот воды в природе
1.1.3. Вода в атмосфере и на поверхности Земли
1.1.1. Представления о воде. Научное содержание современной
гидрогеологии
Президент Академии наук СССР академик А.П. Карпинский, приветствуя первый гидрогеологический съезд (1931 г), отмечал, что «…нет наиболее
драгоценного полезного ископаемого как вода… для жизни, для земледелия,
для всего вода есть самое главное ископаемое».
Нет ни одной сферы деятельности человека, где бы ни использовалась
вода. Водные ресурсы определяют богатство стран континента, уровень развития промышленности и сельского хозяйства.
На Земном шаре потребляется свыше 8 млрд. м3 воды в сутки. Общие
запасы всех видов воды в свободном состоянии оцениваются как 1386 млн.
км3. Основные запасы всех видов воды сосредоточены в Мировом океане и
оцениваются в 1338 млн. км3.
Во время Международного гидрологического десятилетия установлено,
что суммарные запасы всех видов пресных вод суши оцениваются цифрой 35
млн. км3, что составляет всего лишь 2,5 % общего количества воды на Земле.
Более 24 млн. км3 пресных вод находятся в законсервированном виде в ледниках и снежном покрове Арктики, Антарктиды и Гренландии. Запасы подземных вод, которые являются основным источником водоснабжения для
многих стран, составляют немногим более 10,5 млн. км3. В связи с этим подземные воды на протяжении столетий являются объектом всестороннего изучения.
Наука о подземных водах земной коры и мантии, об их распределении,
истории развития, составе и динамике называется гидрогеологией.
Зарождение отечественной гидрогеологии относится к 80-м годам ХIХ
в. и связано с решением таких проблем как водоснабжение городов и сельскохозяйственных объектов, обводнение месторождений полезных ископаемых, использование подземных вод для лечебных целей.
7
По мере накопления сведений о подземных водах гидрогеология выделяется в самостоятельную науку из геологических дисциплин и объединяет
обширный круг вопросов как теоретических, так и практических, которые
рассматриваются в основных ее разделах: общая гидрогеология; региональная
гидрогеология; динамика подземных вод; гидрогеохимия.
Прикладными разделами гидрогеологии являются: поиски и разведка
месторождений подземных вод; мелиоративная гидрогеология; рудничная
гидрогеология; гидрогеология месторождений нефти и газа; инженерная гидрогеология.
В настоящее время наряду с количественными методами оценки гидрогеологических процессов широко используются методы числового моделирования, математической физики, ЭВМ, позволяющие качественно по-новому
решать большой комплекс гидрогеологических задач в самых сложных условиях.
Для специалистов-геологов первоочередными являются вопросы гидрогеологических исследований при разведке и освоении месторождений полезных ископаемых. Наиболее крупные и ответственные исследования проводятся в связи с осушением месторождений полезных ископаемых. Снижение
уровня подземных вод на значительных площадях за счет водопонижения
требует самой тщательной увязки схем осушения месторождений с вопросами водоснабжения прилежащих районов, ирригации и мелиорации земель.
Водопонижение на больших площадях вызывает осадку земной поверхности и толщи горных пород с последующими деформациями сооружений,
например, шахтных стволов. Для прогноза этих явлений необходима комплексная увязка гидрогеологических методов исследований с инженерногеологическими.
К проблеме осушения примыкает проблема выемки полезных ископаемых под водными объектами – реками, водоемами, крупными водоносными
горизонтами. Решить эту проблему можно путем привлечения гидрогеологических методов.
1.1.2. Общий круговорот воды в природе
Полное представление о круговороте воды, в котором Мировой океан
является источником всех вод, куда они, в конечном счете, и возвращаются,
сложилось в конце XVII в.
Баланс круговорота воды в природе обстоятельно рассмотрен в монографии М.И. Львовича "Элементы водного режима рек земного шара (1945
г.). По его данным в атмосфере содержится около 14000 км3 воды, что в 11,6
раз больше, чем в реках. Это количество воды меняется каждые 10 сут. Объем
всех речных вод составляет 1200 км3 и меняется каждые 11–12 сут, в то время
как подземные воды обновляются от 330 лет до 10000.
8
Для определения стока М.И. Львович построил мировую (кроме Антарктиды) схематическую картину распределения годового стока в масштабе
1:75 000 000. Согласно данным М.И. Львовича, круговорот воды на Земном
шаре представляется схемой (рис. 1).
Рис. 1. Круговорот воды на Земном шаре:
Xо – осадки, выпадающие на океан; Zо – испарение с поверхности океана; Xсо – осадки в
сточных областях суши; Zсо – испарение в сточных областях суши; Xзо - осадки в замкнутых областях суши; Zзо – испарение в замкнутых областях суши
Таким образом, исходя из предложенной схемы, был сформулирован
закон круговорота воды в природе, который гласит, что количество воды,
испарившееся с поверхности Мирового океана и суши, равно количеству
осадков, выпавших на Земном шаре.
Как видно из предложенной схемы, учитывается количество воды, связанное, прежде всего, с климатическими условиями (осадки и испарение) и не
рассматривается круговорот воды внутри земной коры в разных термодинамических оболочках и в процессе геохимических явлений.
Для полного представления круговорота воды в природе необходимо
рассматривать два круговорота: гидрологический (климатический) и геологический [18]. В результате гидрологического круговорота происходит непрерывное восполнение запасов подземных вод. На земной поверхности происходит разделение выпавших атмосферных осадков (Х): одна часть этих осадков (Z) тут же снова испаряется в атмосферу, вторая часть, стекающая по поверхности Земли в сторону Мирового океана, образует поверхностный сток
(Yпов.) и, наконец, третья часть протекает через почву в горные породы, образуя подземный сток (Yподз.).
Количественно выражение процесса гидрологического круговорота воды и его отдельных звеньев может быть охарактеризовано с помощью водно9
го баланса. Соотношение элементов водного баланса – осадков, испарения,
поверхностного и подземного стоков в определенных физико-географических
условиях для многолетнего периода в среднем практически постоянны и определяют средние расходы рек и водные ресурсы конкретного региона.
Геологический круговорот обусловлен непрерывным движением земной коры в вертикальном и горизонтальном направлениях в соответствии с
общей геологической жизнью Земли. Геологический круговорот складывается из седиментационного, метаморфогенного и, иногда, магматического этапов.
Седиментационный – это захоронение осадков и огромных масс воды,
связанных с ними. Погружение и уплотнение осадков сопровождается отжатием воды (элизионный режим) и ионным ее разложением. Выжимаемая вода
может возвращаться в водоем, где происходит осадконакопление, но в дальнейшем она отжимается в коллекторы, преимущественно песчаные, залегающие между уплотненными слоями глин. Особенно интенсивно седиментационный этап протекает на глубинах 2–3 км.
В геосинклинальных условиях геологический круговорот воды не заканчивается седиментационным этапом, т.к. продолжающееся прогибание
территории приводит к дальнейшему погружению осадочных пород. Находящиеся в них воды высвобождаются уже в процессе метаморфизма. После
уплотнения и полной литификации осадков объем оставшейся в них физически связанной воды составляет до 5 % объема пород. В зоне метаморфизма
эти воды, а также химически связанные воды, входящие в состав глинистых
минералов, выделяются в виде свободных вод. При этом происходит дегидратация горных пород, а также дегидроксилирование (выделение гидроксильной группы ОН-), выделение ионов водорода и кислорода, которые образуют
молекулу воды. Количество воды, выделяющейся на метаморфогенном этапе,
может составлять 15–25 вес. %.
Процессы метаморфизма в большинстве случаев вызваны резким изменением тектонического режима территории, когда опускание сменяется поднятием и регрессией моря. Создается горноскладчатая система. Процесс горообразования сопровождается раздроблением территории на отдельные части, возникновением магматических процессов с вулканическими проявлениями. Все это приводит к тому, что седиментационные воды вступают в активное взаимодействие с глубинными растворами и газами магматического
происхождения.
Открытые разломы земной коры в процессе магматической деятельности способствуют активной миграции захороненных вод и вовлечению их в
среду действия гидрологического круговорота.
Гидрологический и геологический круговороты совершаются главным
образом в пределах земной коры, но в своем проявлении связаны с водой ниже- и вышележащих оболочек Земли. Хотя водообмен осуществляется с разной скоростью и различается различными масштабами, оба круговорота тесно
10
взаимосвязаны, и в этой взаимосвязи кроется одна из наиболее важных характерных черт развития Земли как планеты.
1.1.3. Вода в атмосфере и на поверхности Земли
Количество водяного пара в атмосфере составляет всего лишь 0,001 %
от общей массы воды на Земле. Тем не менее, роль ее исключительна, так как
она по существу является единственным источником пресной воды. Примерно за десять дней все водяные пары в атмосфере обновляются. Воды в атмосфере находятся в трех состояниях: газообразном, жидком, твердом.
Воздух можно рассматривать как разбавленный водяной пар, причем
концентрация его у полюсов составляет 0,2 %, а у экватора около 2,6 %. С
высотой она быстро падает и на высоте 1,5–2 км от Земли убывает наполовину [2]. Содержание водяного пара в атмосфере измеряется психрометрами и
характеризуется удельной абсолютной и относительной влажностью.
Удельная влажность (Е) – максимально возможное количество парообразной влаги в воздухе при данной температуре, измеряемого высотой ртутного столба в миллиметрах (миллибарах), уравновешивающего упругость пара, или граммах на кубический метр. Удельная влажность воздуха в зависимости от его температуры измеряется от 0,4 до 31,9 мм. рт. ст.
Абсолютная влажность (е) – количество парообразной влаги в миллиметрах ртутного столба или в граммах на кубический метр, находящиеся в
воздухе в данный момент. В теплых сухих воздушных массах абсолютная
влажность может достигать 50 г/м3 и больше, а в холодном арктическом воздухе она снижается до 0,1 г/м3.
Для характеристики сухости или влажности воздуха используется относительная влажность (A):
= ∙ 100 %.
Воздух считается влажным, если относительная влажность более 80%.
Относительная влажность менее 30% характеризует сухость воздуха и свидетельствует об интенсивном испарении. Для характеристики испарения используется показатель – дефицит влажности или недостаток насыщения (d),
который определяется по формуле d = E - e. При прочих равных условиях
скорость испарения тем значительней, чем больше дефицит влажности.
Атмосферные осадки, выпадая на земную поверхность, образуют поверхностный и подземный сток. Под стоком понимают ту часть атмосферных
осадков и выходящих на поверхность подземных вод, которая реками выносится в моря и океаны.
Главным фактором стока является климатические условия, чем больше
выпадает атмосферных осадков, тем больше испарение и, следовательно,
больше сток. На формирование стока большое влияние оказывают рельеф местности, водопроницаемость горных пород, искусственные факторы. Реки пи11
таются поверхностными и подземными водами. Поверхностное питание может быть дождевым, снеговым, ледниковым, смешанным. Величина подземного стока зависит от соотношения между площадью водосборных бассейнов
поверхностного и подземного стока и тектонических особенностей долины
реки.
Основными характеристиками стока являются коэффициент стока и
модуль стока. Коэффициентом стока (η) – называется отношение стока (h) за
определенный период к количеству выпавших атмосферных осадков (x) за тот
же период в бассейне реки:
= ∙ 100 %.
Величина стока (h) определяется отношением расхода реки к площади
ее бассейна и выражается в миллиметрах слоя воды.
Модулем стока (М) называется – количество воды (л/с), стекающее в
единицах времени с 1 км2 водосборной площади реки.
Подземный сток характеризуется модулем подземного стока. Для платформ и горно-складчатых областей его значения различны. На платформах
подземный сток формируется в условиях артезианских бассейнов в зонах интенсивного, затрудненного и весьма затрудненного водообменов. Модуль
подземного стока здесь изменяется от 6 л/с с 1км2 до десятых долей литров в
секунду.
Горно-складчатые области отличаются интенсивным подземным стоком. Среднегодовые модули высокие. Например, для Кавказа – 6,3 л/с, Горного Крыма – 2,3 л/с, для Карпат – 4,3 л/с, для Восточного Саяна в отдельных
районах – до 6 л/с с 1 км2. Соотношение подземного стока и осадков принято
выражать коэффициентом подземного стока. Он показывает, какая часть атмосферных осадков расходуется на питание подземных вод. Этот коэффициент в пределах страны составляет в среднем 9 % и изменяется от 1 до 50 %.
Подземный сток характеризуется также коэффициентом подземного питания
рек, представляющим долю подземного стока от общего речного стока. Характеристика изменчивости коэффициентов подземного стока и коэффициентов подземного питания рек – это и есть количественная оценка роли подземных вод в общих водных ресурсах и водном балансе страны.
Тема 1.2. Вода в горных породах
План:
1.2.1. Водно-физические свойства горных пород и их показатели
1.2.2. Вода в горных породах
1.2.3. Участие воды в геологических процессах
12
1.2.1. Водно-физические свойства горных пород и их показатели
Наличие воды в горных породах, различные виды ее движения зависят
от генетического типа пород, их особенностей, которые по отношению к воде
определяются водно-физическими свойствами [12].
Рассмотрим основные показатели водно-физических свойств на примере осадочных пород.
Влажность характеризуется количеством воды, заполняющим поры в
естественных условиях залегания горных пород.
Численно влажность выражают отношением веса воды, заполняющей
поры породы, к весу сухой породы в долях единицы или в процентах от веса
сухой породы:
=
,
где g2 – вес воды, г; g 1 – вес сухой породы, г.
Если влажность определяется по образцам естественной влажности, то
ее называют естественной.
Влажность по отношению к объему пор называется коэффициентом
водонасыщения (Кw). Он характеризует степень заполнения порового пространства породы водой и может быть рассчитан по формуле
=
п.в.
,
где Wп.в. – полная влагоемкость породы.
При Wп.в.= W глинистая порода представляет собой двухфазную систему: минеральный скелет + вода, при Кw < 1 порода является трехфазной системой: минеральный скелет + вода + воздух.
От степени влажности изменяется прочность, деформируемость и устойчивость песчаных и глинистых пород.
Пористость характеризует наличие пустот в горных породах. Пористость или коэффициент пористости определяет общий объем пор в единице объема породы и вычисляется по формуле
=
п
· 100 =
у
у
с
,
где Vп – объем пор; V – объем породы; γу – удельный вес породы, г/см3; γс –
объемный вес скелета породы, г/см3.
Отношение объема пустот в горной породе к объему скелета породы Vc
называется приведенной пористостью или приведенным коэффициентом пористости ε:
13
п
=
с
=
у
с
с
.
Зависимость между этими двумя коэффициентами определяется выражениями:
=
и
=
.
При полном насыщении породы водой коэффициент пористости может
быть вычислен через весовую влажность и удельный вес породы:
=
у.
Классификация песчано-глинистых пород в зависимости от пористости
приведена в табл.1.
Пористость песчаных и глинистых пород характеризует их естественную уплотненность и склонность к деформациям. Коэффициент пористости
используется при расчетах осадок сооружений, а также при проектировании
естественных оснований зданий и сооружений в расчетах при определении
нормативных давлений на горные породы.
Таблица 1
Пористость песчаных и глинистых пород при разном сложении
Породы
Пески гравелистые, крупнозернистые и среднезернистые
Пески мелкозернистые, тонкозернистые, супеси легкие
Глины, суглинки, супеси тяжелые
Показатель
n, %
ε
n, %
ε
n, %
ε
плотное
< 35
< 0,55
< 38
< 0,6
< 30
< 0,4
Сложение
средней
плотности
35 – 40
0,55 – 0,7
38 – 44
0,6 – 0,8
30 – 45
0,4 – 0,8
малой
плотности
> 40
> 0,7
> 44
> 0,8
> 45
> 0,8
Влагоемкость. Под влагоемкостью породы понимают ее способность
вмещать и удерживать определенное количество воды.
Породы бывают влагоемкие (глины, суглинки), средневлагоемкие (супеси, пески мелко- и тонкозернистые, пылеватые) и невлагоемкие (пески
средне-, крупно- и грубозернистые, гравелистые и щебнистые породы, а также галечники).
У влагоемких пород различают влагоемкость полную, капиллярную и
молекулярную. При полной влагоемкости все поры заполнены водой. Капиллярной влагоемкости соответствует насыщение водой только капиллярных
14
пор. Под молекулярной влагоемкостью понимают способность горных пород
удерживать физически связанную воду, которая находится на поверхности
частиц горной породы в виде гидратных оболочек.
Максимальное количество физически связанной воды образует максимальную молекулярную влагоемкость. При влажности породы равной максимальной молекулярной влагоемкости резко изменяются физикомеханические свойства глин. Для многих разновидностей глин максимальная
молекулярная влагоемкость соответствует влажности на пределе пластичности.
Водоотдача. Способность горных пород отдавать свободностекающую
воду называется водоотдачей. Такой способностью обладают только невлагоемкие или слабовлагоемкие породы.
Водоотдача пород примерно равна разности между полной их влагоемкостью и максимальной молекулярной:
отд
=
п
−
м.м .
Для количественной характеристики водоотдачи служит также коэффициент водоотдачи (µв), равный отношению объема стекающей воды к объему
породы, выраженной в долях единицы.
Характеристика водоотдачи пород имеет большое практическое значение. От водоотдачи зависят эксплуатационные запасы подземных вод, притоки воды в горные выработки и возможность их осушения.
Водопроницаемость. Способность горных пород пропускать через себя
воду под действием напора называется водопроницаемостью.
Водопроницаемость пород зависит от пористости, скважности, действующих напоров, вязкости воды, гранулометрического состава и его однородности.
Движение воды, а также других жидкостей и газов через пористые горные породы, когда все поры запомнены водой, называется фильтрацией.
Различают породы водопроницаемые (галечник, гравий, песок, трещиноватые породы и др.), полуводопроницаемые (глинистый песок, супесь, суглинок, лесс и др.) и приктически водонепроницаемые (глина, тяжелый суглинок, кристаллические и осадочные нетрещиноватые породы).
На водопроницаемость большое влияние оказывает степень однородности их гранулометрического состава, а также примеси глинистых частиц и
хорошо разложившейся органики. Кроме того, водопроницаемость изменяется при их уплотнении под влиянием давления вышележащих масс горных пород или сооружений, при растворении и выщелачивании солей, содержащихся в них (карст), при увеличении гидродинамического давления (суффозия).
Некоторые глинистые породы в отношении водопроницаемости характеризуются ярко выраженной анизотропностью.
15
Мерой водопроницаемости горных пород служит коэффициент фильтрации, который прямо пропорционален напорному градиенту. При градиенте,
равном единице, коэффициент фильтрации равен скорости потока:
=
ф
=
п
,
где V – скорость потока, см/сут, м/сут, и т.д.; Кф – коэффициент фильтрации,
см/сек, м/сут, и т.д.; i – напорный градиент.
Для характеристики проницаемости пород используется также коэффициент проницаемости (Кп) и удельное водопоглощение (W). Эти коэффициенты связаны между собой следующей зависимостью:
ф
в
,
где Кф – коэффициент фильтрации, см/с; γв – удельный вес воды, г/см3; Кп –
коэффициент проницаемости, мД; η – вязкость жидкости, Па·с. Удельное водопоглощение примерно равно 0,53 Кф.
Показатели, характеризующие проницаемость горных пород, необходимы для оценки притока воды к водозаборным сооружениям для питьевого
водоснабжения, для оценки притока воды в горные выработки и при решении
других практических вопросов. Коэффициент фильтрации определяется как
по эмпирическим формулам, так и в результате полевого изучения – опытных
откачек воды.
1.2.2. Вода в горных породах
В горных породах земной коры вода существует в различных видах и
агрегатных состояниях.
В зависимости от гранулометрического состава и его однородности,
минерального состава, пористости, наличия обменных катионов, температуры
и давления и многих других факторов. А.Ф. Лебедев специально изучал вопросы о видах воды в горных породах и установил следующие категории: 1)
вода в форме пара; 2) гигроскопичная вода; 3) пленочная вода; 4) капиллярная вода; 5) гравитационная вода; 6) вода в твердом состоянии; 7) химически
связанная вода.
Парообразная вода находится в воздухе, заполняющем поры, пустоты,
трещины в горных породах, не занятые жидкой водой или льдом. Водяной
пар может свободно сообщаться с наземной атмосферой или быть защемленным в порах и пустотах горных пород. Общее его количество в воздухе подземной атмосферы определяется температурой пород, а, следовательно, и
воздуха. Количество водяного пара в породах регулируется непосредственно
относительной влажностью воздуха. Явление поглощения породой водяного
16
пара из воздуха называется сорбцией, а свойство горных пород сорбировать
парообразную воду – гигроскопичностью. Передвижение водяного пара в
горных породах происходит, главным образом, под влиянием разности упругости пара от области, где она выше, к области, где упругость пара ниже.
Вода в виде пара находится и в других зонах земной коры, где породы
не полностью водонасыщены. Парообразная вода в глубинных зонах земной
коры участвует в процессах рудообразования. Это представление нашло отражение в выдвинутой теории С.М. Григорьевым гипотезе о существовании в
земных недрах "дренажной оболочки" между критическими термическими
уровнями для воды (374,15оС) и для растворов (400 – 450 оС), на границах которой происходят фазовые превращения воды и пара, образующие механизм
сортировки веществ по их удельному весу.
Гигроскопичная вода (адсорбированная) образуется благодаря свойству воды прилипать к твердым веществам, в молекулы которых входят атомы
с повышенной электроотрицательностью, активно вступающие с водородными протонами в водородную связь.
Содержание адсорбированной воды зависит от дисперсности пород,
минерального состава, состава и содержания обменных ионов, влажности окружающей среды, степени нарушенности естественного сложения пород. Адсорбированная вода трудно подвижна. Удерживается у поверхности частиц
породы силами в сотни и тысячи атмосфер. Свойства ее отличаются от капельножидкой воды. Так, плотность ее значительно выше единицы и изменяется от 1,2 до 2,4 г/см3, оказывает заметное сопротивление сдвигу. Замерзает
при температуре от 0 до –78 0С.
Когда вокруг частицы образуется сплошная пленка воды толщиной в
одну молекулу, такое состояние влажности породы называют максимальной
гигроскопичностью. Количество гигроскопической воды определяется путем
высушивания породы при температуре 105-1100С до постоянного веса.
Пленочная вода (поверхностных слоев) – это вода, облипающая тонким слоем частицы породы и прочно удерживаемая ими благодаря действию
молекулярных сил. Пленочная вода передвигается как жидкость от более толстых пленок к более тонким. Количество этого вида воды может быть определено путем смачивания породы при условии свободного стекания излишней воды.
Влажность породы, отвечающую максимальной толщине пленки, А.Ф.
Лебедев назвал максимальной молекулярной влагоемкостью.
Капиллярная вода занимает капиллярные поры, стыки и тонкие трещины в горных породах и удерживается силами поверхностного натяжения. В
зависимости от связи капиллярных вод с гравитационными выделяют: подвешенные, стыковые и капиллярные каймы (рис. 2).
Подвешенные воды удерживаются силами поверхностного натяжения и
не имеют связи с уровнем грунтовых вод зоны насыщения. Образуются при
фациально-изменчивом строении зоны аэрации.
17
Рис. 2. Виды капиллярной воды: а – подвешенная; б - стыковая
Стыковые капиллярные воды образуются в углах пор и стыках минеральных частиц.
Воды капиллярной каймы образуются в области непосредственной связи с грунтовыми водами зоны насыщения за счет капиллярного поднятия подземных вод.
Гравитационная вода распространена в пределах водоносных горизонтов, зон и комплексов, т.е. в породах, обладающих сверхкапиллярной
скважностью. Она легко подвижна и подчиняется в основном силе тяжести.
Гравитационная вода стекает из породы, может, откачиваться из нее.
Скорость ее передвижения зависит от проницаемости пород и напора, который испытывает эта вода. Она обладает всеми свойствами капельножидкой
воды, имеет различную минерализацию, химический состав и физические
свойства.
Вода в твердом состоянии распространена в мерзлых горных породах.
Лед встречается в микроформах, равномерно распределяясь в горных породах
и цементируя ее, и макроформах – в виде ясно различимых кристаллов, их
скоплений, линз, прослоев, жил и мощных толщ.
Химически связанная вода принимает участие в строении кристаллических решеток различных минералов, например, гипса (CaSO 4·2H 2O), сохраняя свою молекулярную форму. Кроме того, вода входит в состав гидратов
типа гидроокисей Ca(OH)2. В результате химических реакций распадаются
молекулы химически связанной воды распадаются на ионы Н+ и ОН-. При
удалении химически связанной воды из минералов, они могут разрушаться
или переходить в другой вид.
Провести границу между распространением того или другого вида воды
невозможно. Все вместе они образуют подземную гидросферу, где все виды
воды взаимосвязаны, переход из одного состояния в другое уравновешивается, компенсируется той же массой, которая в других местах освобождается из
соединений и переходит в свободное состояние.
18
1.2.3. Участие воды в геологических процессах
Участие воды в геологических процессах интересно рассматривать с
позиций геологического круговорота воды в природе. Вода участвует во всех
геологических процессах, выполняет созидающе-разрушительную работу и
имеет собственную историю в недрах Земли [2].
Благодаря внедрению в гидрогеологию современных методов смежных
наук, прежде всего физики и химии (изотопный анализ, термодинамический
подход и т.п.), удалось в первом приближении оценить интенсивность и масштабы геологической деятельности воды в отдельных процессах.
На больших глубинах (эндогенные процессы) геологическая деятельность воды определяется, прежде всего, температурой и давлением, от которых зависят условия взаимодействия в системе вода – порода и фазовое состояние раствора. Интерес представляют процессы, протекающие в земной
коре и мантии и характер обмена веществом в этих оболочках. При этом ведущая роль многими учеными отводится флюидным потокам. Под флюидным
потоком понимается преимущественно ювенильная поликомпонентная смесь
летучих веществ, преобладающим элементом которых является вода в надкритическом состоянии. Вода может находиться во включениях кристаллов
или между ними, а в виде гидроксила ОН - входит в состав ряда минералов.
Источником воды служат также гидратные системы типа гидрогранатов
Ca3Al2(OH)12 или соединения Mg(OH)2 и др.
Кроме воды в составе флюида в различных количествах присутствуют
CO2, HCl, HF, H2 и другие газы. Миграция флюида из мантии в земную кору
сопровождается изменением его химического состава в зависимости от температуры и давления, окислительно-восстановительной обстановки и парциального давления составляющих флюид газов.
Флюидный режим влияет на генезис месторождений (особенно рудных)
полезных ископаемых и гидротермальную деятельность.
Магматические расплавы, в которых вода может присутствовать как в
газообразной, так и в жидкой фазе на протяжении всего пути от места зарождения до места кристаллизации непрерывно взаимодействуют с флюидами.
Водообмен на этапах раздвижения океанического дна и погружения океанической коры, обогащенной водными минералами, характеризуется гигантскими объемами. Вода, являясь одним из летучих компонентов магмы и обладая высокой энергией активации, оказывает большое влияние на фазовые
равновесия в магматических системах и на физические свойства силикатных
расплавов (резкое понижение температуры плавления).
Исследования в районах современного вулканизма свидетельствуют о
значительной роли воды и в вулканических процессах.
Огромна роль воды и в осадочном породообразовании. Изменение облика Земли начинается с воздействия воды и проявляется в механической работе. Механическая деятельность воды включает следующие главные процес19
сы: вымывание и перенос минеральных частиц текущими водами – твердый
сток, вынос частиц породы фильтрующимися подземными водами – суффозия.
Твердый сток осуществляется как поверхностными водами, так и в глубине массива без реализации выноса частиц на поверхность земли. Наиболее
ярко суффозия проявляется, когда подверженные суффозии отложения подстилаются закарстованными породами.
В целом осадочный цикл объединяет мобилизацию вещества при выветривании материнских пород; его перенос и осаждение в бассейнах аккумуляции (седиментогенез); постседиментационные изменения (собственно
литогенез), приводящие к преобразованию осадка в породу в результате перемещения в более глубокие части земной коры. Наличие воды – обязательное условие протекания любой стадии осадочного цикла [8].
Значительная роль отводится воде в тектонических и сейсмических
процессах. Вода является фактором, ухудшающим сейсмические условия
территории. Различают три группы гидрогеологических предвестников землетрясений: гидрогеодинамические (изменение уровня, напора или расхода
подземных вод); гидрогеохимические (возрастание минерализации, концентрация таких компонентов как фтор, бром и др., изменение содержания гелия
в термальных водах); гидрогеотермические (изменение температуры подземных вод).
При непосредственном участии воды протекает подземная химическая
денудация, биохимические процессы, а также образование и развитие мерзлых пород.
Несмотря на то, что вода участвует во всех геологических процессах,
она является самым уязвимым звеном в разрезе земной коры. Геологические
последствия техногенного воздействия на подземную гидросферу многообразны, но выделяются два основных направления: закачка техногенных вод в
недра Земли и извлечение (откачка) подземных вод для различных целей.
Геологическая деятельность техногенных вод будет различна в зависимости
от их свойств, температуры, режима водообмена и других показателей.
Тема 1.3. Типы подземных вод
План:
1.3.1. Гидрогеологическая стратификация подземных вод
1.3.2. Классификация подземных вод по условиям залегания
1.3.1. Гидрогеологическая стратификация подземных вод
Вопросами гидрогеологической стратификации занимается региональная гидрогеология, которая изучает закономерности распространения и фор-
20
мирования, а, следовательно, и возможности использования подземных вод в
пределах конкретных территорий.
Основой гидрогеологического районирования является выделение таксонов – гидрогеологических систем с едиными условиями формирования
подземных вод, включающих области питания, распространения и разгрузки.
Гидрогеологическая система (ГГС) – это совокупность геологических тел, в
которых подземные воды связаны между собой и движутся по единым законам. Гидрогеологические системы имеют границы разного типа: геологические, геоморфологические, литолого-фациальные, тектонические. Границы
могут быть представлены контурами урезов рек, озер; контурами, по которым
водоносные породы отделяются от водоупорных; уровнем подземных вод и
др.
Нижней границей гидрогеологических систем являются водоупорные
породы. Верхняя внешняя граница зависит от того, какой преобладающий тип
подземных вод (грунтовые или напорные) содержит ГГС.
Исходными элементами ГГС, сложенных осадочными породами, могут
быть слои, горизонты, комплексы, а магматическими и метаморфическими –
локальные и региональные трещиноватые зоны, разломы, простые и сложные
гидрогеологические массивы.
Наиболее часто при оценке гидрогеологических условий регионов используют понятия: водоносный горизонт, водоносный комплекс, обводненная
зона.
Водоносный горизонт – это обводненная, выдержанная по площади и
разрезу толща горных пород, представляющая в гидродинамическом отношении единое целое. При сложном строении обводненной толщи говорят о водоносном комплексе. Разделяющие их водонепроницаемые породы (глины,
плотные сланцы и т.д.) образуют водоупоры [18].
В кристаллических породах обводнена верхняя трещиноватая часть, так
называемая «зона» трещиноватости, или протяженные тектонические нарушения. Заключенные в водоносных породах подземные воды могут быть безнапорными (грунтовыми), когда они имеют свободный уровень, или напорными, если при их вскрытии уровень поднимается выше кровли водоносного
горизонта.
Для выделения основных условий формирования подземных вод в гидрогеологических системах проводится районирование, в основу которого положены факторы, определяющие закономерности формирования и распределения подземных вод.
В основе районирования лежит выделение различных типов гидрогеологических структур, базирующихся, как указывалось выше, на анализе геологического строения и выделения подземных вод по условиям их залегания.
«Основная единица» гидрогеологического районирования по возможности включает внутренние области питания, накопления и разгрузки подземных вод определенного преобладающего типа.
21
И.К. Зайцев подразделяет скопления подземных вод на два основных
типа: пластовые скопления, приуроченные к слоистым осадочным толщам
сравнительно слабо дислоцированные или совсем недислоцированные (порово-пластовые, трещинно-пластовые, карстово-пластовые) и трещинные (трещинно-жильные скопления), приуроченные к изверженным, метаморфическим и сильно метаморфизованным дислоцированным породам разного генезиса.
Пластовые скопления подземных вод преобладают в пределах платформ, предгорных равнин и передовых прогибов, в межгорных и внутригорных впадинах.
Структуры, для которых характерно преимущественное развитие напорных пластовых вод, представляют собой артезианские бассейны (рис. 3).
В пределах артезианского бассейна выделяют грунтовые воды, межпластовые
безнапорные, межпластовые напорные – это воды чехла, трещинные напорные и трещинно-жильные воды.
Рис. 3. Схематический гидрогеологический разрез части речной долины:
1 – песок; 2 – песок водоносный; 3 – супеси; 4 – глины; 5 – известняки; 6 – уровень верховодки; 7 – уровень грунтовых вод; 8 – уровень межпластовых ненапорных вод; 9 – уровень
артезианских вод; 10 – источники; 11 – направления движения безнапорных подземных
вод; 12 – разгрузка артезианских вод в речной аллювий
Для артезианских бассейнов характерна гидрогеологическая зональность и смена условий водообмена с глубиной. В приповерхностной верхней
части разреза артезианских бассейнов располагается верхняя гидродинамическая зона скоплений подземных вод, в основном грунтовых и межпластовых
безнапорных. Это зона свободного водообмена, имеющая непосредственную
22
связь с наземной гидросферой (реки, озера, моря и др.) и с атмосферными водами. Глубина этой зоны достигает 300-500 м. Для нее характерны самые высокие скорости движения. Возобновление ресурсов здесь происходит в течение столетий.
Ниже располагаются межпластовые скопления напорных подземных
вод, приуроченные к зоне затрудненного водообмена. Они имеют ограниченную связь с гидросферой и атмосферой через зону свободного водообмена,
преимущественно в краевых частях бассейнов, по долинам рек и в озерных
котловинах, где водоносные горизонты вскрыты, выхолят на поверхность или
прикрыты рыхлыми четвертичными отложениями небольшой мощности.
Скорости движения вод подавлены, связь с поверхностными водами затруднена. Темп водообмена составляет десятки и сотни тысяч лет.
Глубже (1,5-2 км) располагается зона весьма затрудненного водообмена. Подземные воды этой зоны имеют связь с водами вышележащих зон на
отдельных участках.
В размещении гидродинамических зон артезианских бассейнов главная
роль принадлежит геологическому строению и важная роль по соподчинению
– рельефу.
Второй тип вод типичен для горно-складчатых областей. Структуры,
для которых характерно преобладание различных трещинных вод, представляют собой гидрогеологические массивы. В геоструктурном отношении это
антеклизы (на платформах), а в геосинклинальных складчатых областях - антиклинальные структуры, усложненные мелкой складчатостью. В геоморфологическом отношении это возвышенности на равнине, горные сооружения,
горные массивы и т.п.
Основное условие выделения массивов состоит в том, что водопроницаемость определяется трещиноватостью, а первоначальная слоистость существенно утрачивает свое гидрогеологическое значение.
Ведущая роль в формировании подземных вод принадлежит рельефу,
которому подчинено геологическое строение.
Верхняя гидродинамическая зона имеет существенное развитие и
большую мощность. Нижняя граница этой зоны находится несколько ниже
тальвега речных долин. Для вод этой зоны характерно нисходящее вертикальное и горизонтальное движения.
Ниже располагается зона затрудненного водообмена. В древних массивах иногда встречаются солоноватые воды и рассолы различного происхождения, по омоложенным разломам поднимаются минеральные и термальные
воды. Общее движение – центробежное от центральных наиболее возвышенных участков к периферии.
При гидрогеологическом районировании в зависимости от его содержания и масштаба обычно используется ряд следующих таксономических единиц: участок, район, область, провинция и т.д.
23
1.3.2. Классификация подземных вод по условиям залегания
По условиям залегания выделяют следующие типы подземных вод:
1. почвенные воды;
2. верховодка;
3. грунтовые и артезианские воды;
4. трещинные и карстовые воды;
5. подземные воды в многолетнемерзлых породах;
6. минеральные, промышленные и термальные воды.
Почвенные воды. К почвенным водам относятся гравитационные воды
в почвенном слое, которые образуются в результате проникновения атмосферных осадков и конденсации водяного пара. Наличие значительного количества почвенной воды указывает на избыточное увлажнение, приводящее к
заболачиванию.
Питание почвенных вод происходит как сверху, так и снизу – путем перехода в свободное состояние капиллярно-подвешенной воды, особенно в
случае неглубокого залегания грунтовых вод.
Верховодка образуется в зоне аэрации, инфильтрационная вода встречает на своем пути водоупор среди водопроницаемых пород. Водоупорным
ложем могут быть линзы глин или суглинков в толще песков, участки коры
выветривания на скальных породах, мерзлые толщи (рис. 4).
Верховодка отличается сезонным характером и локальным невыдержанным по площади развитием. С грунтовыми или речными водами она
обычно не имеет гидравлической связи. Мощность верховодки чаще всего
равна 0,4–1,0 м, редко 2–5 м.
На формирование верховодки сильно влияет характер рельефа. Наилучшие условия для верховодки создаются на плоских водоразделах и в степных пространствах с местными понижениями, куда стекает дождевая влага, и
задерживаются талые воды.
Режим верховодки зависит от климатических условий. Эти воды легко
загрязняются. В естественных условиях верховодки различны. В районах избыточного увлажнения она слабо минерализована, характеризуется относительно высоким содержанием органических веществ. При аридном климате
образуются соленые воды и рассолы.
Грунтовые и артезианские воды. Под грунтовыми водами понимают свободные (гравитационные) воды первого от поверхности Земли, изменяющегося во времени, но постоянно существующего водоносного горизонта,
заключенного в рыхлых отложениях или в верхней трещиноватой части коренных пород и залегающего на первом от поверхности выдержанном водоупоре [3].
24
Рис. 4. Характер перемещения воды в верхней части земной коры:
1 – почва с почвенными и капиллярно-подвешенными водами; 2 – песчано-гравийные отложения; 3 – обводненные породы; 4 – водоупорные породы; 5 – капиллярная кайма; 6 –
уровень подземных вод; 7 – направление движения инфильтрующихся вод; 8 – направление фильтрации подземных вод.
Поверхность грунтовых вод свободна. При вскрытии грунтовых вод
буровой скважиной или колодцем их уровень устанавливается на той же глубине, где они были встречены. Поверхность грунтовых вод именуется зеркалом.
В зависимости от геоморфологических условий геологического строения грунтовые воды движутся в сторону ближайшего понижения, образуя
грунтовый поток (рис. 5а). Участки с горизонтальной поверхностью носят названия бассейнов грунтовых вод (рис. 5б).
Рис. 5. Формы залегания грунтовых вод:
а – грунтовый поток; б – грунтовый бассейн; 1 – песок; 2 – водоносный песок; 3 – водоупор
Бассейны грунтовых вод образуются в понижениях водоупорного основания, когда инфильтрующиеся осадки не в состоянии переполнить этот бас-
25
сейн. В природных условиях часто встречается сочетание потоков и бассейнов грунтовых вод.
Мощность водоносного горизонта определяется расстоянием по вертикали от зеркала грунтовых вод до кровли подстилающего водоупорного пласта.
Сравнительно неглубокое залегание грунтовых вод на первом от поверхности водоупорном пласте, связь с поверхностными метеорными водами
определяют следующие особенности:
1. Грунтовые воды безнапорные, имеют свободную поверхность с давлением на ней, равным атмосферному и передвигаются под действием силы
тяжести в направлении уклона их зеркала.
2. Питание осуществляется преимущественно за счет инфильтрации атмосферных осадков и конденсации влаги в зоне аэрации, область питания
совпадает с областью распространения.
3. Разгрузка происходит у основания склонов или в поверхностные водоемы и водотоки, с которыми грунтовые воды имеют гидравлическую связь.
4. В зависимости от климатических условий уровень, расход, температура и другие параметры водоносного горизонта подвержены сильным колебаниям во времени.
Гидроизогипсы – это линии, которые соединяют точки с одинаковыми
отметками уровня грунтовых вод. Карты гидроизогипс строятся по данным
одновременных замеров уровня грунтовых вод в скважинах, колодцах, шурфах. По карте гидроизогипс можно определить направление движения и величину уклона грунтового потока, глубину и характер залегания уровня грунтовых вод и его соотношение с рельефом поверхности. При наличии стратоизогипс поверхности водоупорного ложа можно определить мощность водоносного горизонта на любом участке [18]. Важно отметить, что существует
четкая зависимость уклона зеркала грунтовых вод от водопроницаемости отложений и мощности водоносного горизонта. Глубина уровня грунтовых вод
часто зависит от рельефа местности.
Между грунтовыми и речными водами существует гидравлическая
связь (рис. 6).
По характеру залегания, особенностям распространения, питания и режима различают грунтовые воды междуречий и водораздельных пространств,
речных долин, конусов выноса и предгорных шлейфов и морских побережий.
Каждому из этих типов соответствуют свои условия распространения и формирования.
Влияние климата и всего комплекса гидрогеологических закономерностей отражает минерализация и ионно-солевой состав грунтовых вод. В связи
с этим Г.Н Каменский выделяет две крупные зоны, отвечающие двум генетическим типам грунтовых вод – выщелачивания и континентального засоления. Первый тип вод характерен для областей с избыточным увлажнением.
Минерализация увеличивается с севера на юг. Воды преимущественно гидро26
карбонатного типа с сухим остатком 300–500 мг/л и общей жесткостью 4–5
мг-экв/л.
Рис. 6. Соотношение между грунтовыми и речными водами:
а – река дренирует горизонт грунтовых вод; б – река питает грунтовые воды; в – река дренирует горизонт грунтовых вод на одном берегу и питает на другом.
Воды континентального засоления характерны для территорий сухих
степей, полупустынь, где испарение преобладает над количеством выпадающих осадков. Встречаются воды от слабосоленых до соленых. По химическому составу они относятся к сульфатному и сульфатно-хлоридному типам.
Основным видом питания грунтовых вод является инфильтрация атмосферных осадков. В пустынных районах грунтовые воды могут получать конденсационное питание. Местами грунтовые воды получают питание за счет
подтока напорных вод нижележащих горизонтов.
Разгрузка (дренирование) горизонта грунтовых вод происходит в виде
родников, пластовых высачиваний и других водопроявлений на поверхности
земли.
Артезианскими считаются подземные воды, находящиеся в водоносных горизонтах (комплексах), перекрытых и подстилаемых водоупорными
или относительно водоупорными пластами, обладающие гидростатическим
напором, который обуславливает подъем уровня воды над кровлей при
вскрытии скважинами или другого вида выработками.
Для артезианских вод характерны следующие особенности:
1. Это межпластовые напорные воды, горизонты и комплексы которых
изолированы сверху и снизу водоупорами;
2. Области питания, создания напора и распределения не совпадают и
часто удалены одна от другой на большие расстояния;
3. При вскрытии артезианского водоносного горизонта появление воды
в скважине всегда отмечается глубже по сравнению с установившимся уровнем;
4. Режим в незначительной степени подвержен влиянию поверхностных
факторов;
5. В верхней части разреза воды пресные, с глубиной их минерализация
возрастает, они становятся солеными или даже рассолами.
27
Совокупность артезианских водоносных горизонтов или комплексов,
залегающих в синклинальных структурах, образуют артезианский бассейн
(рис. 7). В каждом артезианском бассейне принято выделить три области:
1. современного питания и создания напора;
2. разгрузки;
3. распространения напора.
Рис. 7. Схема строения артезианского бассейна (по А.М. Овчинникову):
а - область питания; б – область напора; в – область распространения; 1 – водоносные породы; 2 – водоупорные породы; 3 – пьезометрический уровень Н1 и Н2 – пьезометрические напоры; m – мощность водоносного горизонта.
Область современного питания и создания напора – это площади выхода на дневную поверхность водоносных пород, слагающих артезианский
бассейн. Выделяют внешнюю и внутреннюю области питания.
К внешней области питания относятся прилегающие к артезианскому
бассейну части площадей горно-складчатых сооружений или поднятий, с которых стекают атмосферные воды и по достижению водоносных пород частично ими поглощаются. Например, для Минусинского межгорного прогиба
внешней областью питания являются отроги Кузнецкого Алатау, Восточного
и Западного Саян.
Внутренней областью питания являются площади, расположенные в
пределах самого артезианского бассейна, где осуществляется инфильтрация
атмосферных осадков.
Внутренние области питания связаны преимущественно с поднятиями и
антиклинальными структурами в предгорных районах и межгорных впадинах, в пределах которых артезианские водоносные горизонты выходят на поверхность или залегают неглубоко, под более молодыми, как правило, рыхлыми отложениями.
Питание некоторых водоносных горизонтов осуществляется путем перетока вод из одного водоносного горизонта в другой. В зависимости от соотношения напоров переток может происходить как из верхнего горизонта в
нижний, так и наоборот.
Артезианские воды могут быть гидравлически связаны с грунтовыми
водами на участках, где размыты кроющие водонепроницаемые пласты или
же в результате их фациального изменения (рис. 8).
28
Рис. 8. Схема гидравлической связи грунтовых вод с артезианскими:
I – положение уровня подземных вод над участком размыва при питании грунтовых вод
артезианскими; II – то же, но при перетоке грунтовых вод в артезианские; 1 – водоносные
породы; 2 – водоупорные породы
Причины создания напора могут быть различными. Помимо гидростатических давлений на создание напора оказывает действие геостатическая нагрузка, тектонические напряжения, изменение пористости пород.
Область разгрузки – это участки выхода водоносных горизонтов и комплексов на поверхность на более низких абсолютных отметках по сравнению
с областью питания. Область разгрузки представляет собой совокупность открытых (восходящие родники) и скрытых очагов в рыхлые четвертичные отложения, русла рек, на дне морей.
Области разгрузки бывают современные и древние. Современные делятся на естественные и искусственные. К открытым современным очагам
относятся эрозионные очаги разгрузки в долинах рек, в бессточных впадинах
в пустынных районах, барьерные при наличии препятствий на пути движения
подземных вод и структурно-тектонические.
Скрытые очаги разгрузки подразделяются на внешние и внутренние.
Внешние очаги стока – это разгрузка в русла рек, под аллювиальными отложениями, на дне морей. Например, в Аральское море разгружается 176 м3/сут
(5,5 км3/год).
К скрытым внешним очагам разгрузки А.М. Овчинников относит рассредоточенную разгрузку подземных вод через водоупорные толщи.
Скрытые внутренние очаги разгрузки широко распространены в зоне
насыщения подземной гидросферы и чаще обнаруживаются в местах несогласного залегания свит, на участках «фациальных окон», зонах разломов,
перекрытых осадочными породами, в осевых частях антиклиналей, куполов и
поднятий, не проявляющихся на поверхности Земли.
29
Искусственными очагами разгрузки являются водозаборы подземных
вод, при длительной эксплуатации которых в некоторых водоносных горизонтах создаются понижения статических уровней на 80–120 м.
Древние очаги разгрузки фиксируются как месторождения некоторых
видов полезных ископаемых: нефти газа, серы, рудные месторождения. Установить их можно в результате анализа истории геологического развития артезианских бассейнов и прилегающих территорий.
Область распространения напора – это основная площадь развития артезианских бассейнов, для водоносных горизонтов которой характерны пьезометрические уровни подземных вод. Уровень напорных вод называется
пьезометрическим и всегда располагается выше кровли водоносного горизонта. Он является реальным только в скважинах, вскрывших водоносный горизонт. На участках отсутствия скважин пьезометрический уровень устанавливается методом интерполяции.
Характер пьезометрической поверхности на картах изображается в виде
пьезоизогипс (гидроизопьез) – линий, соединяющих точки с одинаковыми абсолютными отметками пьезометрического уровня.
Карты гидроизопьз обязательно сопровождаются гидрогеологическими
разрезами, на которых показывают стратиграфические границы, литологические особенности пород в виде колонок у стволов скважин, водоупорные
толщи, напоры и абсолютные отметки пьезометрических уровней, водопроницаемость пород. По карте гидроизопьез можно определить области питания
(по максимальным отметкам) и области разгрузки (по минимальным отметкам), направление движения артезианского потока, пьезометрический уклон,
глубину установившегося уровня. По сгущению и разряжению гидроизопьез
можно вынести суждение об изменении мощности водоносного горизонта
или водопроницаемости пород. Сгущение гидроизопьез обычно свидетельствует об уменьшении мощности и ширины потока или об уменьшении водопроницаемости пород [3]. При наличии на карте пьезоизогипс отметок кровли
водоносного горизонта в любой точки можно определить величину напора
над кровлей горизонта.
Проявление упругого режима происходит под влиянием изменения атмосферного давления и уровня грунтовых вод в области питания, морские
приливы и отливы, землетрясения, пуск скважин в эксплуатацию, непостоянство режима их работы, изменение внешней нагрузки на кровлю водоносных
горизонтов.
Процесс изменения ресурсов артезианских вод под влиянием естественных и искусственных факторов изучен слабо.
Под естественными запасами понимают массу (для пресной воды – объем) гравитационной воды в водоносном горизонте в естественных условиях.
В естественные запасы входит и часть воды, которая может быть извлечена из
артезианского водоносного горизонта за счет упругого режима. Последние
называют упругими запасами.
30
Естественные ресурсы водоносного горизонта определяются величиной
его питания в природных условиях. Питание складывается из инфильтрации
атмосферных осадков, фильтрации из рек, перетекания из выше- и нижерасположенных горизонтов и расходование ее за счет испарения вод, оттока в
выше- и нижерасположенные горизонты. Свое выражение естественные ресурсы находят в расходе потока подземных вод.
Трещинные и карстовые воды. Подземные воды в трещиноватых и
закарстованных породах характеризуются своеобразными особенностями
распределения, движения и накопления. Основные трудности заключаются в
установлении путей движения таких вод, выделение водоносных зон и определении их мощности, выборе показателей для гидрогеологических расчетов.
Это обуславливается тем, что трещины различного генезиса формируют неравномерно проницаемую среду.
Гидрогеологическая оценка трещиноватости горных пород (проницаемость и водоносность) определяется наличием трещин (нарушением сплошности без смещения вдоль нарушения), разрывов (с перемещением блоков
породы вдоль плоскости разрыва) и в меньшей степени по трещинам напластования.
Гидрогеологическое изучение трещиноватости предполагает, наряду с
выяснением генезиса, структурных особенностей, морфологии и направления
трещин, количественную оценку параметров, определяющих водоносность:
ориентировка трещин, их зияние, коэффициент трещинной пустотности.
Ориентировка трещин в блоке горных пород зависит от характера тектонических напряжений, под действием которых произошло растрескивание
породы. Ориентировка трещин определяет различия в проницаемости блока
породы по простиранию главных систем трещин.
Зияние трещин (S) – это среднее расстояние между их стенками. По величине зияния трещины делятся на макро- (S > 0,1 мм) и микротрещины (S >
0,1 мм). Большую роль играет отсутствие или наличие минерального заполнителя. Закрытые трещины проницаемы лишь при заполнении их рыхлым материалом.
Общей закономерностью развития трещиноватости может считаться ее
затухание с глубиной.
Трещинные воды широко развиты в гидрогеологических массивах. Они
могут быть безнапорными и напорными. Безнапорные трещинные воды (водоносные зоны открытой трещиноватости) связаны с верхней частью гидрогеологических массивов, где формируются потоки, направленные от водоразделов к подошве склонов. Обводненность неравномерная, мощность обводненной зоны не превышает 30-200 м.
Жильно-трещинные и жильные воды связаны с зонами тектонических
нарушений и разломов, наиболее широко распространены в горно-складчатых
областях. Они формируют линейно вытянутые и относительно неширокие
потоки. Преимущественно это напорные (восходящие воды), движущиеся с
31
больших глубин и обладающие значительными ресурсами. Сохраняя гидростатическую природу напора, жильно-трещинные воды во многих случаях
имеют турбулентный характер движения и в очагах разгрузки выводятся на
поверхность групповыми источниками с огромным дебитом (до нескольких
м3/сек) либо переливаются в рыхлые отложения. Обводненность пород в зонах разломов крайне неравномерна.
Карстовые воды являются разновидностью трещинных вод, но в отличие от последних формируются в растворимых горных породах при благоприятных гидрогеологических условиях. В соответствии с этим карстовые
воды связаны с известняками, доломитами, мраморами, гипсами, отложениями каменной соли. Карстовые воды приурочены к площадям с наиболее интенсивной трещиноватостью пород. На поверхности Земли карст проявляется
в виде воронок, пещер, трещин, колодцев, шахт, суходолов и т.д. Нередко
карстовые формы располагаются на контакте карстующихся и некарстующихся пород.
Закарстованность пород прослеживается до уровня регионального базиса эрозии, т. е. может достигать несколько сот метров.
Подземные формы карста – открытые трещины и различного рода каналы, протягиваются на многие километры, образуя сложную сеть пустот и полостей, которые нередко частично или полностью заполнены водой.
Карстовые воды могут быть напорными и безнапорными.
Обязательным условием развития карста, кроме наличия растворимых
пород, является формирование в них движущейся воды, обладающей растворяющей способностью. Наиболее интенсивно карстовые процессы протекают
по трещинам выветривания и тектоническим нарушениям.
С глубиной растворяющая способность подземных вод уменьшается,
поскольку большая часть агрессивной углекислоты расходуется на растворение вышележащих пород.
Движение воды в закарстованных породах подчиняется линейному закону Дарси, а на площадях интенсивного развития карста, где возможны
крупные полости, пещеры, каналы воды приобретают турбулентный характер
и подчиняются закону Шези-Краснопольского.
Режим карстовых вод отличается большим колебанием дебита и уровня.
Минерализация вод и температура не испытывает таких колебаний. Мировой
известностью пользуется карстовый источник Воклюз. Область питания источника равна 1650 км2. Вода выходит из огромного грота, находящегося в
глубоком ущелье. Средний годовой дебит источника 17 м3/с при максимальном весеннем 152 м3/с. На площади питания источника выпадает 550 мм
осадков, и 60 % из них расходуется на источник.
По характеру движения и режима воды в закарстованных породах выделяются следующие вертикальные гидродинамические зоны (по Д.С. Соколову, Г.А. Максимович) (рис. 9):
32
1. зона вертикального нисходящего движения (зона аэрации) с наличием подвешенных горизонтальных потоков;
2. зона сезонного колебания уровней;
3. зона горизонтального движения, находящегося в сфере дренирующего воздействия гидрографической сети с движением воды в сторону речной
долины;
4. зона сезонной циркуляции, где направление движения карстовых вод
обуславливается геолого-структурными особенностями и глубиной залегания
карстующихся пород.
Рис. 9. Вертикальная зональность карстовых вод:
1–4 – зоны: 1 – аэрации; 2 – сезонного колебания уровня подземных вод; 3 - полного насыщения в сфере дренирующего воздействия долины; 4 – глубинной циркуляции подземных вод, расположенная вне влияния местной гидрографической сети
Химический состав карстовых вод весьма разнообразен. На площади
карбонатных пород – это гидрокарбонатные кальциевые воды. В гипсах
встречаются сульфатные кальциевые воды. В районах развития соляного карста – высокоминерализованные рассолы хлоридного натриевого состава.
Таким образом, для трещинных и карстовых вод характерно неравномерное распределение по площади и в разрезе. В отличие от трещинных вод
карстовые воды формируются только в растворимых породах.
Подземные воды в многолетнемерзлых породах. Многолетнемерзлыми называются породы, имеющие отрицательную или нулевую температуру, содержащие лед и сохраняющие такое состояние в течение многих лет,
веков, тысячелетий.
Основные особенности территорий с многолетнемерзлыми породами
следующие:
1. существование воды во всех трех фазах – твердой, жидкой и парообразной;
2. взаимосвязь этих фаз между собой и с вмещающими мерзлыми и талыми породами;
3. превращение хорошо проницаемых в талом состоянии пород в относительные водоупоры при промерзании.
33
По взаимоотношению жидкой фазы, т.е. собственно подземных вод и
толщ мерзлых (водоупорных) пород Н.И. Толстихин (1941 г) предложил выделять надмерзлотные, межмерзлотные и подмерзлотные воды (рис. 10).
Рис. 10. Распределение подземных вод в многолетнемерзлых породах:
А – надмерзлотные воды, Б – воды несквозного подозерного талика, В – воды сквозного
питающего талика, Г – воды сквозного подруслового талика, Д – межмерзлотные воды, Е –
внутримерзлотные воды, Ж – подмерзлотные воды контактирующие, З – подмерзлотные
воды неконтактирующие; 1 – пески; 2 – гравийно-галечные отложения; 3 – суглинки; 4 –
щебень и дресва; 5 – известняки; 6 – песчаники; 7 – сланцы; 8 – граница многолнтнемерзлых пород
Надмерзлотные воды по условиям залегания и режима делятся на сезоннопромерзающие и на сезоннонепромерзающие. К сезоннопромерзающим
относятся воды деятельного слоя. Важнейшей особенностью их режима является временное существование жидкой фазы – от двух (в Арктике) до шести
месяцев (у южной границы многолетнемерзлых пород). Направление движения контролируется уклоном поверхности нижнего водоупора (промороженных пород), который обычно соответствует рельефу. Разгрузка вод деятельного слоя происходит в долинах рек и других пониженных формах рельефа.
Мощность протаивающего слоя увеличивается с севера на юг, а в горных районах – по мере снижения абсолютной высоты и в зависимости от экспозиции склонов.
Сезоннопромерзающие воды обычно ультрапресные с минерализацией,
резко превышающей 0,1г/л. По составу они изменяются от хлоридногидрокарбонатных натриевых (при минерализации до 0,05 г/л) до гидрокарбонатных кальциевых. Реакция воды преимущественно кислая с рН от 5 до 6.
Сезоннополупромерзающие воды встречаются сравнительно редко на
участках, где деятельный слой, сложенный хорошопроницаемыми породами,
перекрывает водоносный талик. В этом случае воды деятельного слоя не
промерзают на всю мощность, и в нижней части в отдельные годы сохраняет34
ся жидкая фаза. По характеру режима отличаются от вышеописанных вод наличием напора.
Сезоннонепромерзающие воды связаны с несквозными таликами. Под
таликом понимается толща пород с положительной температурой либо с температурой выше точки замерзания содержащихся в них гравитационный вод,
расположенная среди многолетнемерзлых пород (Некрасов, 1967 г). Особенно
широко распространены подрусловые талики в долинах крупных рек. Области их питания значительно превышают по площади распространение. Они
образуют как подрусловые потоки надмерзлотных вод, так и различные по
площади бассейны.
Подрусловый поток протяженностью 15 км известен в пойме р. Уюльной (бассейн р. Анадырь). Трубообразный по форме несквозной талик протяженностью 7 км известен в пролювиально-аллювиальных отложениях р. Наминги (север Читинской области).
Режим надмерзлотных вод подрусловых таликов зависит от их гидравлической связи с поверхностными водами. В надмерзлотных таликовых потоках он характеризуется резким истощением ресурсов в осенне-зимний период
и максимумом – в середине лета. Минерализация подрусловых вод изменяется от 0,1 до 0,5 г/л, а состав – от гидрокарбонатного магниево-кальциевого до
хлоридно-гидрокарбонатного кальциево-натриевого.
К межмерзлотным относятся жидкие растворы в слоях, ограниченных
сверху и снизу толщами многолетнемерзлых пород. Внутримерзлотные воды
– это жидкие растворы в виде линз и прослоев, ограниченных многолетнемерзлыми породами со всех сторон.
Температура этих вод бывает и положительная и отрицательная. Положительная температура межмерзлотных вод формируется преимущественно в
связи с различной величиной оттаивания и промерзания верхней части несквозных таликов, а также отепляющим влиянием сохраняющейся жидкой
фазы на подстилающие мерзлые породы, где отсутствует приток холода.
Межмерзлотные водоносные горизонты могут возникать и сохраняться в оттаивающих слоях повышенной проницаемости среди слабопроницаемых и
водоупорных пород при наличии питания и разгрузки по сквозным таликам.
Дебит родников межмерзлотных вод может достигать 40 и даже 160
л/сек. Минерализация и состав положительно температурных межмерзлотных
вод определяются питающими водами, а также динамикой их движения. Они
могут быть пресными и солоноватыми.
Отрицательно температурные межмерзлотные и внутримерзлотные воды (криопэги) развиты преимущественно в областях сплошного распространения многолетнемерзлых толщ. Сохранение таких переохлажденных вод в
жидкой фазе связано с их высокой минерализацией (от 35 до 320 г/л), при которой снижается температура замерзания воды.
Межмерзлотные криопэги на небольшой глубине (единицы и десятки
метров) выявлены по побережье Беренгова и Охотского морей, шельфе и ост35
ровах Северного Ледовитого океана. На южном склоне Анабарского массива
они вскрыты на глубине 200-300 м.
Подмерзлотные воды – это жидкие водные растворы, залегающие ниже
подошвы многолетнемерзлых пород. Н.Н. Романовский подразделяет их на
контактирующие, неконтактирующие и глубинные.
Для контактирующих подмерзлотных вод верхним водоупором являются вечномерзлые породы. Подмерзлотные криопэги могут иметь положительную и отрицательную температуру, характеризуются высокой минерализацией.
По представлениям Н.М и О.Н. Толстихиных отрицательно температурные соленые воды и рассолы составляют нижнюю зону пояса отрицательных температур. В качестве примера можно привести концентрированные
хлоридные кальциевые рассолы с температурой -1,80С, зафиксированные в
Мархинских скважинах на севере Сибирской платформы на глубине 1000 м.
Минеральные, промышленные и термальные воды.
Минеральными называются природные воды, особенности состава и
свойств которых позволяют использовать их в качестве лечебных, промышленных или теплоэнергетических.
Основной особенностью химического состава минеральных вод является присутствие обычных или специфических компонентов (CO2, H 2S, N2, Br, I,
B, H4SiO4, Rn, As, органические вещества и др.).
Лечебными минеральными называются воды, обладающие целебными
свойствами благодаря наличию в их составе различных минеральных, органических или радиоактивных веществ, в том числе газов в терапевтически активных концентрациях.
Кроме вышеуказанных компонентов, представляющих интерес для
бальнеологии, существенное значение имеют щелочно-кислотное состояние,
температура, общее содержание растворенных компонентов, а также в связи с
токсичностью повышенные концентрации ряда металлов (табл. 2).
Разработаны нормы и критерии отнесения подземных вод к категории
лечебных, т.е. нижние пределы концентраций компонентов, при которых вода
начинает оказывать на организм человека лечебное воздействие, отличающееся от действия обычной питьевой воды (табл. 3).
Для систематизации разнообразия состава и свойств лечебных минеральных вод служит классификация В.В. Иванова и Г.А. Невраева (1964 г),
которая позволяет учесть как все бальнеологические компоненты и свойства,
так и общие характеристики ионного состава, величину минерализации, щелочно-кислотное состояние и температуру. В зависимости от состава фармакологически активных компонентов минеральные воды разделены на 8 групп
с подгруппами по газовому составу: 1) углекислые; 2) сульфидные (CO2, CH4,
N2); 3) железистые, мышьяковистые и др. (CO 2, N2); 4) бромные, йодные (CH4,
N2); 5) с повышенным содержанием органических веществ (CH4, N2); 6) радоновые (CO 2, N2); 7) кремнистые термальные (CO 2, CH4, N2); 8) без специфиче36
ских компонентов и свойств – включает минеральные воды, бальнеологическое действие которых определяется составом макрокомпонентов и величиной минерализации.
Таблица 2
Предельно-допустимые концентрации (ПДК) некоторых токсичных и вредных
веществ для питьевых минеральных вод
Компонент
As
F
V
Hg
Pb
Sc
Cr
Ra
U
NO2
NO3
NH4
Органические вещества (в сумме)
Фенолы
ПДК, мг/дм3
лечебно-столовые воды
столовые воды
1,5
3,0
5,0
8,0
0,4
0,4
0,02
0,02
0,3
0,3
0,05
0,05
0,5
0,5
5х10-7
5х10 -7
0,5
0,5
2,0
2,0
50,0
50,0
2,0
2,0
10,0
30,0
0,001
0,001
Таблица 3
Основные показатели и нормы оценки минеральных лечебных вод
Показатели
Минерализация, г/л
Газонасыщенность, мл/дм3
CO2, г/дм3
Критерий (не менее)
2,0
50,0
1,4 (купальные)
0,5 (питьевые)
10,0
0,7
20,0
25,0
5,0
50,0
5,0
H2S, мг/дм3
As, мг/дм3
Fe3O4, мг/дм3
Br, мг/дм3
I, мг/дм3
H2SiO3+ H2SiO3-, мг/дм3
Rn,нКюри/дм3
Промышленными называются воды, содержащие полезные компоненты, (Br, I, B и др.) в количестве, обеспечивающем в конкретных гидрогеологических районах их рентабельную добычу и переработку с использованием
современной технологии. Промышленные воды могут использоваться также в
лечебных целях и для теплоснабжения.
37
Подземные промышленные воды относятся к группе высокоминерализованных вод и рассолов. По величинам концентраций полезных компонентов и количеству эксплуатационных ресурсов перспективными на минеральное сырье являются: 1) пластовые хлоридные рассолы артезианских бассейнов; 2) углекислые воды альпийской зоны горно-складчатых областей; 3)
термальные хлоридные воды современных вулканических областей.
Большие запасы промышленных вод известны на Русской платформе. В
пределах Западно-Сибирской платформы в юрских и меловых отложениях
развиты главным образом йодные воды. При концентрациях брома всего
лишь до 0,15, йода – 0,03 и бора 0,01-0,15 г/дм3 ряд районов считается экономически рентабельным благодаря высокой обводненности отложений.
Для территории России выполнена региональная оценка эксплуатационных запасов подземных промышленных йодо-бромистых вод с составлением соответствующей карты.
Термальными называются воды с температурой выше 350С. Они используются для выработки электроэнергии (100-180 0С), теплофикации и горячего водоснабжения жилых и промышленных комплексов (70-1000С), в теплично-парниковом хозяйстве, в бальнеологических целях (менее 70 0С) и др.
Попутно из термальных вод извлекают ценные компоненты: Li, Br, I, B,
Na2SO4, Rn, As, редкие металлы и др.).
Термальные воды могут формироваться в артезианских бассейнах и в
аномально геотермических условиях под влиянием магматических и вулканических процессов.
Тема 1.4. Химический состав подземных вод
План:
1.4.1. Физические свойства подземных вод
1.4.2. Основные факторы формирования химического состава подземных вод
1.4.3. Макрокомпоненты в подземных водах
1.4.4. Методы изучения химического состава воды
1.4.5. Оценка качества воды для питья и технических целей
1.4.1. Физические свойства подземных вод
Подземные воды – это сложные химические растворы, содержащие ионы (макро- и микрокомпоненты), разнообразные газы, коллоиды, органические вещества. В подземных водах практически всегда присутствуют микроорганизмы.
Главнейшими физическими свойствами воды, используемыми в гидрогеологии, являются температура, прозрачность, цвет, запах, вкус, плотность,
радиоактивность.
38
Температура воды устанавливается под влиянием климата (например, в
зоне вечной мерзлоты температура воды отрицательная), современного тектонического режима (например, в областях молодого вулканизма встречаются
термальные воды с температурой +100 0С и более).
Прозрачность воды характеризуется ее способностью пропускать световые лучи. Зависит от содержания в воде механических примесей и органических веществ. Прозрачность определяют в стеклянном цилиндре высотой
30 – 40 см со шрифтом или меткой на дне. Высота столба воды в сантиметрах,
через который ясно читается шрифт, определяет прозрачность воды.
Цвет у природных вод обуславливается растворенными органическими
соединениями или веществами, находящимися в виде взвеси. Цветность воды
выражают в градусах по стандартной платиново-кобальтовой шкале.
Запах в подземных водах обычно отсутствует. Иногда воды, богатые
гуминовыми веществами, имеют болотный запах. Кроме этого воды могут
иметь запах сероводорода, гнилостный и др. Для точного определения запаха
воду нагревают до температуры 50 – 600С, затем оценивают запах по специальной шкале в баллах.
Вкус и привкус определяют в сырой воде за исключением открытых водоемов и источников, сомнительных в санитарном отношении. Вода может
иметь соленый, горький, сладкий и кислый вкус. Вкус и привкус воде придают растворенные в ней минеральные вещества, газы, различные примеси.
Вкус определяют по специальным таблицам в баллах.
Плотность. Наибольшей плотностью вода обладает при температуре
0
4 С. В отличие от других жидкостей при охлаждении от 4 до 00С вода расширяется, поэтому лед легче воды, его плотность составляет 0,92 г/см3. Плотность пресной воды при температуре 40С составляет 1 г/см3, плотность морской воды варьирует в пределах от 1,03 до 1,08 г/см3.
Радиоактивность. Подземные воды, содержащие природные радиоизотопы урана, радона и радия, называются радиоактивными. Содержание урана
и радия в водах измеряется в граммах на литр. Количество радона выражается
в кюри, т.е. количеством радона, находящемся в радиоактивном равновесии с
1 г радия. Более мелкими единицами являются милликюри (1∙10-3 кюри) и
эман (1∙10 -10 кюри).
1.4.2. Основные факторы формирования химического состава подземных вод
Химический состав подземных вод формируется в условиях, резко отличных от поверхностных вод. Ведущую роль здесь играют геологические и
гидрогеологические факторы. Состав подземных вод зависит от типа геологических структур, тектоники, наличия вулканизма, литологического состава
пород, от динамики подземных вод.
39
Одной из важнейших проблем познания природы воды является изучение ее ионно-солевого состава, формирующегося под влиянием целого ряда
естественных и искусственных факторов. По характеру воздействия факторы
подразделяются на следующие группы: 1) физико-географические; 2) геологические; 3) геологические; 4) физико-химические; 5) физические; 6) биологические; 7) искусственные [6].
К физико-географическим факторам относятся рельеф, гидрографическая сеть, климат, процессы выветривания, почвенный покров и растительность.
Рельеф оказывает влияние на условия водообмена, от которого зависит
минерализация и солевой состав подземных вод.
Гидрографическая сеть оказывает примерно аналогичное влияние на
формирование химического состава подземных вод. Существенное значение
имеют густота речной сети, глубина эрозионного вреза, режим и химический
состав поверхностных вод, характер взаимоотношения с подземными водами.
Климат определяет водный режим подземных вод. От количества выпадающих атмосферных осадков зависят запасы подземных вод, их минерализация и состав.
Процессы выветривания, влияющие на формирование химического состава, делятся на химические и биологические. Основным агентом химического выветривания является атмосферная вода, действие которой усиливается растворенной в ней углекислотой. Химическое выветривание складывается
из более простых процессов: растворения (разрушение водой кристаллической решетки минералов горных пород), гидролиза (реакции ионного обмена
между веществами и водой: А–В + Н–ОН → А–Н + В–ОН), гидратации (присоединение к растворенному в воде веществу молекул воды) и т.д. Различают
два вида химического выветривания: углекислое и сернокислое. Интенсивность углекислого выветривания определяется концентрацией углекислого
газа.
Сернокислое выщелачивание проявляется на участках сульфидных месторождений за счет окисления сульфидов.
Биологическим выветриванием называют процесс механического разрушения и химического изменения минералов горных пород под воздействием поселившихся на них организмов, продуктов жизнедеятельности последних и продуктов разложения органических остатков.
Большое слияние на химический состав подземных вод оказывают растительность и почвы. Под влиянием гумусовых кислот вода становится агрессивной не только по отношению к карбонатным породам, но и изверженным.
Почвы обогащают воду газами, ионами и органическим веществом.
Существенное влияние оказывает проницаемость почв, наличие воднорастворимых солей.
К геологическим факторам относятся геологическое строение, тектонические движения, геостатическое давление, геоморфология, минеральный
40
состав горных пород, экзогенное минералообразование, магматические процессы. Под влиянием геологических факторов изменяется подвижность подземных вод, усиливается их миграция, происходит смешение вод различных
зон гидросферы, вытеснение связанной воды из водоупорных глинистых пород в водоносные горизонты, обогащение подземных вод углекислым газом.
Гидрогеологические факторы обуславливают скорости водообмена в
различных частях геологических структур. Изучая современные гидродинамические условия и минувших геологических эпох, можно установить природу ионно-солевого состава подземных вод.
К физико-химическим факторам относятся химические свойства элементов, щелочно-кислотные условия, растворение солей и диффузия, осмос,
гравитационная дифференциация, смешение вод и катионный обмен.
К физическим факторам относятся температура, давление, время и
пространство.
От температуры зависят термодинамические условия среды и роль воды как растворителя. В пределах изученных глубин земной коры температура
подземных вод колеблется от –160С (концентрированные рассолы среди многолетнемерзлых пород) до +400 0С (парогидротермы очагов современного
вулканизма).
Давление сказывается на растворяющей способности воды в несколько
меньшей степени, чем температура, однако роль его в геологическом круговороте воды в природе первостепенна. От давления зависят интенсивность
вытеснения связанной воды из пород и темп водообмена в подземной гидросфере. Эндогенные силы, геостатическое давление, гидростатический напор,
энергия восходящих флюидов из мантии представляют движущие силы
фильтрации.
Процессы формирования химического состава подземных вод неустановившиеся и изменяются во времени. Время – это продолжительность взаимодействия в системе вода – порода – газ – живое вещество, это возраст подземных вод, это, наконец, геологическая история.
Как и время, пространство – это косвенный фактор формирования химического состава воды. Под пространством надо понимать длину, глубину и
площадь, в пределах которых происходит взаимодействие подземных вод с
окружающей средой.
Биологический фактор проявляется в воздействии живого на состав
подземных вод. В земной коре нижняя граница биосферы отвечает температуре от +75 до 1000С – критической температуре для развития бактерий. По
данным С.И. Кузнецова (1962 г) бактерии распространяются до глубины 4 км
и переносят давление 3000 – 4000 атм. А.И. Перельман (1968 г) сравнивал работу живого вещества с работой текучей воды.
Искусственные факторы воздействия человека на природу, в том числе на формирование химического состава подземных вод В.И. Вернадский и
А.Е. Ферсман сравнивали с влиянием геологического фактора.
41
1.4.3. Макрокомпоненты в подземных водах
Соприкасаясь при движении с разнообразными по составу породами,
подземные воды заимствуют различные элементы. В подземных водах обнаружено более 60 элементов периодической системы Менделеева. К числу
главных компонентов, образующих основную часть минерального состава
относят Сl-, SО42-, НСО3-, Nа+, К+, Са2+, Мg2+. Главные ионы определяют химический тип воды.
Главными источниками ионов хлора является галит, как рассеянный в
породах, так и находящийся в виде пластов и штоков. Он поступает в воду
также при выветривании магматических пород, где находится в составе минералов хлорапатита Ca5(PO4)3Cl, содалита 3NaAlSiO 4NaCl.
Источником сульфат-иона являются различные осадочные породы, в
состав которых входят гипс и ангидрит. Немаловажное значение имеют процессы окисления сульфидов, широко распространенных в земной коре.
Значительное количество сульфидов и особенно сероводорода выделяется при вулканических извержениях и окисляемых до SО42-.
Гидрокарбонатные ионы встречаются во всех природных водах, кроме
кислых. Источником гидрокарбонатных (НСО3-) и карбонатных (СО32-) ионов
являются различные карбонатные породы и карбонатный цемент осадочных
пород, современная кора выветривания изверженных пород, в которых ионы
НСО3- имеют биохимическое происхождение.
Содержание натрия в земной коре составляет 2,5 %. Источником появления его в воде являются продукты выветривания изверженных пород (альбит, плагиоклаз, нефелин и др.), залежи его солей и рассеянные в породах и
почвах соединения (галит, мирабилит и др.), катионный обмен.
Калий в подземных водах содержится в незначительном количестве
благодаря слабой миграционной способности , обусловленной биологической
активностью.
Кальций в подземных водах распространен очень широко. Его источником являются известняки, доломиты и известковый цемент. Появляется кальций в воде в результате растворения гипса, в процессе растворения кальцийсодержащих силикатов, реакций катионного обмена.
Магний в подземных водах присутствует в результате растворения доломитов, мергелей, продуктов выветривания основных (габбро), ультраосновных (перидотит) и других пород.
Исключительную роль в гидрохимических процессах играет водород.
Концентрацию его выражают в виде логарифмов, взятых с обратным знаком:
= −lg [
42
].
Источником ионов водорода является угольная кислота, гумусовые кислоты, гидролиз солей тяжелых металлов. Значения pH в подземных водах
колеблются от 0,45 до 11,5. Чаще всего pH составляет 6–8,5.
В подземных водах всегда присутствует органическое вещество. Органические соединения состоят в основном из углерода, кислорода и водорода.
Содержание в воде органических соединений определяется окисляемостью.
Это количество кислорода или перманганата калия (KMnO4), расходуемое на
окисление органических веществ. 1 мг/л кислорода или 4 мг/л KMnO4 соответствует 21 мг/л органических веществ.
Содержание в воде растворимых солей, а также веществ, находящихся
во взвешенном и коллоидном состоянии называется минерализацией. Для определения минерализации необходимо взять сумму анионов (А) и катионов
(К) в ионной форме.
Сухой остаток – это общее содержание нелетучих веществ и некоторых органических соединений. По минерализации подземные воды делятся на
сверхпресные (до 0,2 г/л), пресные (0,2–0,5 г/л), относительно повышенной
минерализации (0,5–1 г/л), солоноватые (1–3 г/л), соленые (3–10 г/л), повышенной солености (10–35 г/л), рассолы (> 35 г/л).
Под жесткостью понимают свойство воды, обусловленное присутствием в ней солей кальция и магния. Выражается жесткость в мг-экв/л. Жесткость, отвечающую общему количеству ионов Са2+ и Мg2+, содержащихся в
воде, называют общей жесткостью. Если жесткость меньше 3 мг-экв/л, вода
считается мягкой, если более 10,7 мг-экв/л – очень жесткой. Общая жесткость
делится на постоянную и устранимую (карбонатную). Карбонатная жесткость
определяется содержанием карбонатных и гидрокарбонатных солей кальция и
магния.
1.4.4. Методы изучения химического состава воды
Перечень необходимых определений веществ, содержащихся в подземных водах, устанавливается в зависимости от целей использования воды. Например, при оценке воды для питья необходимо обязательно определять соединения азотной кислоты и аммиака. При характеристике лечебных вод необходимо определять вещества, придающие ей эти свойства: As, I, Br и др.
При гидрогеологических исследованиях производятся сокращенные и
полные химические анализы. При сокращенных анализах определяются: Fe2+,
Fe3+, NH4+, CO 32-, HCO 3-, Cl-, SO42-, NO3-, NO2-, Са2+, Мg2+, Nа+ + К+ (по разности), свободная углекислота, агрессивная углекислота, общая и карбонатная
жесткость, pH, минерализация, температура, прозрачность, цвет, вкус, запах,
содержание H 2S. При полных анализах, кроме указанных: взвешенные вещества, изменения воды, муть, осадок, сухой остаток при выпаривании при
температуре 1100С, окисляемость, Al2O3, SiO 2, Nа+, К+, Mn2+, количество бактерий в 1 см3 воды (коли-титр), количество кишечных палочек в 1 л (коли-
43
тест), аммиак, фенолсодержащие соединения, а также F, Pb, As, Hg, Cu, Zn,
радиоактивные элементы и другие вредные вещества.
Химический анализ воды выражают в трех формах: ионной, миллиграмм-эквивалентной и процент-эквивалентной. В природной воде молекулы
солей почти полностью диссоциированы на ионы, поэтому основной формой
выражения результатов анализа воды является ионная форма. Содержание
каждого иона в лабораторных условиях определяют в граммах или миллиграммах в объеме 1 л. Для выяснения ряда показателей химического состава
воды данные ионной формы пересчитывают в миллиграмм-эквивалентную и
процент-эквивалентную. Для пересчета данных анализа из ионной формы в
миллиграмм-эквивалентную необходимо количество миллиграммов каждого
иона в 1 л воды разделить на его эквивалентную массу (ионная масса, деленная на валентность).
Для наглядного изображения химического воды существует много
формул и графических способов. Из них наиболее удобна формула М.Г. Курлова, которая представляет собой псевдодробь. В числителе в процентэквивалентной форме расположены анионы в убывающем порядке, а в знаменателе – в таком же порядке катионы. Ионы, содержание которых не превышает 10 %-экв/л, в формулу не включаются. Слева от дроби указывается количество газов и активных элементов, минерализация воды (М) до первого
десятичного знака (г/л), справа – температура воды (оС), реакция воды рН и
дебит скважины или расход родника (м3/сут). Пример отображения химического состава воды формулой Курлова:
,
,
,
.
Графически химический состав подземных вод выражается в виде треугольника, квадрата, круга и т.д.
Для установления закономерностей формирования химического состава
подземных вод производится их классификация. Из многочисленных классификаций наиболее приемлемой и распространенной считается классификация
О.А. Алекина, построенная по принципу преобладающих ионов и соотношений между ионами. Согласно этой классификации, все природные воды делятся на три класса: гидрокарбонатные, сульфатные и хлоридные. Классы
подразделяются на три группы: кальциевые, магниевые и натриевые. Каждая
группа делится на три типа вод соответственно соотношению между ионами:
I тип характеризуется соотношением HCO 3- > Са2+ + Мg2+. Воды этого
типа слабоминерализованные, жесткость невелика, они залегают в верхних
зонах земной коры.
II тип характеризуется соотношением HCO 3- < Са2+ + Мg2+ < HCO3- +
SO4. К этому типу относится большинство рек, озер и подземных вод малой
и умеренной минерализации.
44
III тип характеризуется соотношением HCO 3- + SO 4 < Са2+ + Мg2+. Воды
этого типа обладают повышенной и большой минерализацией и значительной
жесткостью.
IVтип характеризуется соотношением HCO3- = 0, т.е. воды этого типа
кислые. Это рудные, рудничные, болотные, вулканические воды, а также загрязненные промышленными стоками.
Классификация О.А. Алекина позволяет судить о генезисе подземных
вод, химических свойствах и качестве.
1.4.5. Оценка качества воды для питья и технических целей
В зависимости от использования подземных вод предъявляются определенные требования, установленные государственными стандартами.
Питьевая вода должна быть бесцветной, прозрачной, иметь температуру
от 4 до 15 0С, не иметь неприятного вкуса, запаха, не содержать болезнетворных бактерий, солей тяжелых металлов.
При выборе и оценке воды для целей централизованного хозяйственнопитьевого водоснабжения используются государственные стандарты. По
СанПиН 2.1.4.1074-01 «Вода питьевая. Гигиенические требования к качеству
воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества» сухой остаток не должен превышать 1000 мг/л, общая жесткость – 7 мгэкв/л [14]. Возможность повышения норм допускается в определенных климатических зонах и устанавливается органами государственной санитарной
инспекции. Совершенно не допускается присутствие в питьевой воде аммиака
и азотистой кислоты, указывающих на загрязнение воды продуктами разложения органических веществ.
Загрязнение подземных вод связано с антропогенной деятельностью человека. Загрязненной считается вода, которая содержит те или иные компоненты выше предельно допустимых концентраций (ПДК).
Загрязненость воды патогенными бактериями оценивается показателями coli-титр и coli-тест. Coli-титр – это объем воды в кубических сантиметрах, в котором содержится одна кишечная палочка. В пригодной для питья
воде допускается coli-титр 300 см3 и более. Coli-тест выражает количество
кишечных палочек в одном литре воды; coli-тест не должен превышать 3.
Источниками загрязнения подземных вод, вызывающими изменение
химического состава последних, могут быть различные виды деятельности
человека, как производственные, так и сельскохозяйственные. Например,
подземное выщелачивание рудных компонентов или солей на месторождениях твердых полезных ископаемых, законтурное заводнение месторождений
нефти и газа, захоронение в недрах Земли сточных вод, утечки из водопроводно-канализационных сетей, фильтрация из прудов-накопителей, шламоотстойников, удобрение полей и т.д.
В результате деятельности человека создаются техногенные воды, состав которых по некоторым показателям резко отличается от природеых фо45
новых. Техногенные воды способны изменить геохимическую обстановку,
изменять подвижность подземных вод, температурные условия и, наконец,
физико-механические свойства пород.
К технической воде также предъявляются определенные требования
Вода, идущая на питание паровых котлов, оценивается накипеобразованием,
вспениванием и коррозией стенок котла. Сухой остаток в такой воде не должен превышать 300 мг/л, агрессивная кислота должна отсутствовать, жесткость не превышать 2,9 мг-экв/л (для легко очищаемых котлов) и 1,8 мг-экв/л
(для трудно очищаемых котлов) и т.д.
Подземные воды обладают в той или иной степени свойством агрессивности по отношению к бетону, железобетону и металлам. Агрессивность
вод обусловлена присутствием ионов водорода, свободной углекислоты,
сульфатов и магния. Различают следующие виды агрессивности: агрессивность выщелачивания, общекислотная, углекислая, сульфатная.
Агрессивность выщелачивания определяется по величине карбонатной
жесткости воды. Вода считается агрессивной по отношению к бетону при
карбонатной жесткости свыше 0,54 – 2,14 мг-экв/л в зависимости от типа цемента в составе бетона.
Агрессивность общекислотная определяется по количеству водородных ионов (по рН). Вода считается агрессивной для всех видов цементов в
пластах высокой проводимости: а) при рН < 7 и карбонатной жесткости
меньше 8,6 мг-экв/л; б) при рН < 6,7 и карбонатной жесткости больше 8,6 мгэкв/л. Для слабопроницаемых пластов вода считается агрессивной при рН ≤ 5.
Углекислая агрессивность устанавливается в воде по содержанию свободной углекислоты. Для большинства цементов в пластах высокой водопро] + , буводимости воды считаются агрессивными, если выражение [
дет больше содержания свободной углекислоты, где a и b – коэффициенты,
определяемые в зависимости от величины карбонатной жесткости и количества ионов Cl- и SO 42- в мг/л.
Сульфатная агрессивность. При наличии в воде повышенного содержания сульфат-иона происходит кристаллизация в бетоне новых соединений:
образуется гипс с увеличением на 100 %, «бетонная бацилла» с увеличением
объема в 2,5 раза, что вызывает разрушение бетона.
В целях борьбы с агрессивным действием подземных вод на бетон применяются специальные марки бетона.
46
Раздел 2. Динамика подземных вод
Тема 2.1. Основы гидродинамики
План:
2.1.1. Виды движения воды в горных породах. Основные законы движения подземных вод
2.1.2. Основные гидродинамические элементы фильтрационного потока
2.1.3. Установившееся и неустановившееся движение подземных вод в
однородных пластах
2.1.4. Понятие о водозаборах подземных вод и их классификация
2.1.5. Притоки воды к водозаборным сооружениям
2.1.1. Виды движения воды в горных породах. Основные законы
движения подземных вод
Динамика подземных вод изучает количественные закономерности
движения подземных вод, разрабатывает теоретические основы и методы
гидрогеологических расчетов, направленных на обоснование условий формирования подземных вод под влиянием естественных и искусственных факторов [5].
Развитие динамики подземных вод как отрасли гидрогеологии в Росии
связаны с работами Г.Н. Каменского. Им впервые составлен учебник «Основы динамики подземных вод». Во всех работах Г.Н. Каменского отмечается
связь теоретических исследований с геолого-гидрогеологическими условиями.
Как указывалось в разделе «Общая гидрогеология», вода в подземной
гидросфере представлена различными видами, и ее передвижение в разрезе
земной коры происходит под действием силы тяжести, поверхностного натяжения, молекулярных сил и т.д.
К основным видам движения в земной коре относятся фильтрация, влагоперенос, миграция и массоперенос, который является наиболее общим видом движения и предполагает, что в горных породах одновременно с механическим перемещением воды идут различные физико-химические процессы,
изменяющие массу растворенного вещества.
Влагоперенос происходит в основном в зоне аэрации при одновременном перемещении гравитационной, капиллярной, связанной и парообразной
воды.
Фильтрация подземных вод происходит в основном в зоне насыщения.
Основной движущей силой является гидростатический напор (H), а в водоносных горизонтах с напорными водами – упругие силы воды и пласта, связанные с пластовым давлением (P).
47
Величина полного гидростатического давления P в точке, расположенной в жидкости на глубине h, выражается зависимостью
=
+ γℎ,
где P0 – атмосферное давление на свободной поверхности жидкости; γh - избыточное гидростатическое давление столба жидкости высотой h (γ - объемный вес жидкости).
Реальная жидкость характеризуется наличием сил внутреннего трения
(вязкости). Часть ее энергетического потенциала (напора) затрачивается на
преодоление сил сопротивления, что вызывает падение напора по пути движения жидкости. Таким образом, гравитационная вода движется через свободные поры и трещины под действием разности гидростатических напоров.
В зависимости от геолого-структурных условий изменяются скорости
движения воды и, следовательно, расходы. Для количественной оценки расхода необходимо знать основные параметры потоков подземных вод и закономерности их изменения.
Основной закон фильтрации установлен А. Дарси. Он объясняет изменение расхода потока подземных вод в связи с потерями энергии [5]:
=
, м3/сут,
ф
где Kф – коэффициент фильтрации, м/сут; W – площадь сечения потока, м2; i –
градиент напора – приращение напора, отнесенное к длине пути фильтрации
в направлении, перпендикулярном сечению W.
Используя понятие скорости фильтрации, как количество воды (расход
потока), проходящее через площадь поперечного сечения потока:
=
закон Дарси можно записать в виде
=
ф
.
,
(1)
Из последней формулы следует, что скорость потока пропорциональна
напорному градиенту. В таком виде закон Дарси соответствует жидкостям с
постоянной плотностью. С глубиной плотность жидкости изменяется, поэтому вместо коэффициента фильтрации вводится коэффициент проницаемости
Kп, который зависит, главным образом, от размеров и характера каналов пористой среды. Наиболее широко коэффициент проницаемости используется в
нефтяной гидрогеологии.
48
Коэффициент проницаемости Kп связан с коэффициентом фильтрации
Kф, следующим соотношением
п
=
ф
μ
=
ф
, см2,
где μ' – динамический коэффициент вязкости Г/см·с; ν – кинематический коэффициент вязкости, см2/с, γ = ρ - объемный вес воды, Г/см3.
Для горных пород единица проницаемости в см2 слишком велика, поэтому в расчеты принимается единица дарси в 108 меньшая. Число 1,02·10-8
см2 принимается за 1 дарси (д).
Вместе с тем, в слабопроницаемых породах, содержащих глинистые
минералы, которые вступают с водой в физико-химическое взаимодействие,
проницаемость зависит от состава фильтрующейся жидкости. Например, по
данным М. Маскета, проницаемость песчаников для пресной воды ниже, чем
для соленой.
При турбулентном движении подземных вод, которое периодически
встречается в массивах закарстованных пород и зонах разломов, наблюдается
отклонение от линейного закона. Это отклонение отметил русский ученый
Краснопольский. Он установил, что скорость потока пропорциональна корню
квадратному из напорного градиента:
=
ф√
.
При определенных условиях в глинистых породах возможно движение
рыхлосвязанной воды, которое характеризуется вязко-пластичным режимом.
Этот вид движения определяется формулой
=
( −
),
где i0 – начальный напорный градиент.
Фильтрация жидкости через глинистые слабо проницаемые породы начинается тогда, когда напорный градиент i превышает начальную величину i0.
2.1.2. Основные гидродинамические элементы фильтрационного
потока
Под потоками подземных вод принято понимать пространственно оконтуренные потоки гравитационных подземных вод, движение которых происходит в пористой или трещиноватой среде под действием градиента гидростатического напора или давления. Среда, в которой происходит движение
потока подземных вод, называется пористой или фильтрационной.
49
Как пористая среда, так и фильтрующаяся через нее жидкость, характеризуются определенным комплексом физических и гидродинамических параметров, которые необходимо учитывать при оценке условий фильтрации.
Основными элементами фильтрационного потока являются напор, уклон, коэффициент фильтрации, скорость, ширина потока, расход и др.
В натурных условиях гидростатический напор определяется уровнем
воды в скважине относительно выбранной плоскости сравнения напоров. За
плоскость сравнения можно принять забой скважины или водоупорное основание.
Линии, соединяющие точки с одинаковыми напорами, носят название
линии равного напора. Для удобства линии равных напоров называют гидроизогипсами, для напорных вод – пьезоизогипсами. Гидроизогипсы – это линии, соединяющие на поверхности грунтовых вод точки с одинаковыми отметками. Пьезоизогипсы – это линии, соединяющие на пьезометрической поверхности точки с одинаковыми отметками.
Вследствие затрат энергии потока на преодоление сопротивления
фильтрационной среды в направлении движения, создается падение напоров,
которое характеризуется уклоном потока. Напорный градиент или уклон
потока представляет собой удельную энергию гравитационных сил в водном
потоке или, проще говоря, снижение напора потока по направлению движения подземных вод [3].
Для определения уклона потока по картам гидроизогипс необходимо
разность между ближайшими разделить на расстояние между ними по направлению движения потока:
,
=
где H1 и H2 – абсолютные отметки гидроизогипс, l – расстояние между гидроизогипсами.
Коэффициент фильтрации, как указывалось выше, характеризует способность горных пород пропускать воду. Это один из важнейших показателей, который используется при подсчете эксплуатационных запасов подземных вод, при оценке притоков воды в горные выработки, при расчетах подпора на водохранилищах и многих других видах работ.
Для зоны аэрации коэффициенты фильтрации могут определяться как
по эмпирическим формулам, так и в результате проведения наливов и нагнетаний, а также лабораторных опытов. Для зоны насыщения коэффициенты
фильтрации чаще всего рассчитываются по результатам опытнофильтрационнных работ.
Исходя из закона Дарси (1), коэффициент фильтрации можно определить как скорость движения воды при напорном градиенте, равном единице.
Коэффициент фильтрации измеряется в скоростных единицах – см/с,
м/час, м/сут.
50
Для описания других параметров потока подземных вод таких как скорость, направление движения, ширина потока и расход можно использовать
гидродинамическую сетку, которая состоит из линий равного напора, проведенных с заданным интервалом напора, и линий тока, которые в каждой точке
показывают направление потока (вектора скорости) (рис. 11).
Гидродинамическая сетка служит для наглядного представления структурного характера плоского потока и распределения его гидродинамических
элементов.
Рис. 11. Гидродинамическая сетка
В гидрогеологической практике большую роль играет количественная
оценка условий движения подземных вод. Сложность природных условий и
процессов часто создает такие ситуации, когда нет возможности описать обстановку с помощью уравнений, либо имеются уравнения, точное решение
которых до сих пор не найдено. При таких условиях огромное значение приобретает моделирование. Наиболее широко используется метод электродинамической аналогии (ЭГДА), основанный на математической аналогии между
фильтрационным и электрическим потоками. На моделях ЭГДА фильтрационный поток моделируется электрическим полем, в котором потенциалы U и
силы тока I соответствуют напорам H и расходу Q моделируемого фильтрационного потока.
Для перехода от напоров фильтрационного потока H к соответствующим значениям потенциалов электрического поля удобно пользоваться соотношением
=
= Ū,
где Ū – приведенный потенциал в данной точке, который и определяется на
модели ЭГДА [5].
Напор потока определяется по формуле
=
+(
51
−
)Ū.
Общей характеристикой потока является его расход Q – количество
воды, протекающее через поперечное сечение водоносного горизонта в единицу времени:
=
, м3/сут,
где K – коэффициент фильтрации; m – мощность водоносного горизонта; B –
ширина потока; i – напорный градиент.
Основными элементами фильтрационного потока являются также мощность и его ширина. Мощность потока (h, m) определяется мощностью водонасыщенных пород в пределах водоносного горизонта или комплекса. В
потоках грунтовых вод мощность (h) определяется как расстояние от свободной поверхности воды (уровня) до подстилающего водоупора. В потоках напорных вод мощность (m) водоносного пласта измеряется между его верхней
и нижней границами.
Ширина потока B определяется по картам гидроизогипс в сечении,
перпендикулярном направлению движения, т.е. по длине гидроизогипсы.
Как мощность, так и ширина потока могут изменяться на разных его
участках, вызывая изменение других параметров потока и, в первую очередь,
расхода.
Каждое поле фильтрации имеет свои границы, оконтуривающие его в
пространстве. Различают внешние и внутренние границы. Внешние границы
разделяют различные поля фильтрации, внутренние служат границами потока
с действующими в его пределах инженерными сооружениями. Границы потока в пространстве являются поверхностями, в плоскости – контурами. Кроме
того, границы потоков могут быть проницаемыми и непроницаемыми, естественными и искусственными.
Граничные условия потоков определяют их гидродинамические особенности, структуру и характер режима.
В реальных природных условиях границы потоков имеют самую разнообразную конфигурацию. Для целей расчета формы границ схематизируют,
приводя их к правильной геометрической форме (прямолинейный, круговой).
На рис. 12 приведены примеры схематизации геометрических форм боковых
границ потоков для различных природных случаев.
Схематизация границ позволяет систематизировать природные гидрогеологические условия и представлять их в виде типовых расчетных схем,
обеспечивающих применение простых гидрогеологических расчетов.
2.1.3. Установившееся и неустановившееся движение подземных
вод в однородных пластах
Естественные потоки подземных вод характеризуются установившемся
и неустановившемся режимами движения. Установившееся движение пото52
ков характеризуется относительным постоянством во времени условий питания и разгрузки подземных вод [5].
Движение потоков может быть равномерным и неравномерным. При
равномерном движении скорость потока по пути движения неизменна. Такой
вид движения может иметь место при фильтрации напорного потока через
пласт постоянной мощности или при фильтрации безнапорного потока в наклонных водоносных пластах с соблюдением параллельности свободной поверхности подземных вод и водоупора (рис. 13). При этом расход потока
должен быть постоянным:
.
= =
Рис. 12. Примеры схематизации геометрических форм границ потока в плане:
а – неограниченный пласт; б – полоса с двумя прямолинейными границами; в – прямоугольник с прямолинейными границами вдоль рек; г – круг, ограниченный слабопроницаемыми породами.
Условия, обеспечивающие постоянство расхода, площади сечения и
скорости фильтрации, в природе встречаются редко. Обычно движение является неравномерным, т.к. скорость изменяется от сечения к сечению.
При изучении естественных потоков подземных вод обычно решаются
следующие задачи: 1) определение расхода подземных вод и других элементов потока; 2) построение депрессионной кривой; 3) определение отдельных
параметров, характеризующих область фильтрации или условия питания потока по данным о распространении его напоров.
53
Рис. 13. Равномерное движение подземных вод:
а – напорный поток в однородном пласте постоянной мощности; б – грунтовый поток постоянной мощности
При равномерном движении потока подземных вод расход Q определяется исходя из площади сечения F (для потоков грунтовых вод = ℎ , для
напорных вод =
) и скорости фильтрации по закону Дарси.
Таким образом, расход потока для грунтовых вод составляет:
=
для напорных вод:
=
ф
фℎ
=
=
ℎ ,
ф
.
ф
Часто количественная характеристика потоков подземных вод проводится по
единичному расходу q. Это расход, приходящийся на единицу ширины потока. Для грунтовых вод и напорных вод он определяется из соотношений
=
фℎ
и
=
ф
.
Для потоков с неравномерным движением на величину расхода оказывает
влияние положение водоупорного основания (горизонтальное или наклонное). Формулы видоизменяются за счет усреднения мощности и уклона потока. Например, удельный расход для грунтовых вод и напорных вод с постоянной мощностью (рис. 14) соответственно:
=
ф
и
54
=
ф
.
Рис. 14. Напорный поток в пласте постоянной мощности
В случае переменной мощности потока подземных вод единичный расход потока рассчитывается по формуле
=
·
ф
.
Кроме напорного и грунтового потоков в природе существуют потоки с
напорно-безнапорным режимом движения. В естественных условиях такое
движение имеет место при дренировании напорных потоков речными долинами, прорезающими их (рис. 15).
Рис. 15. Схема напорно-безнапорного потока в междуречье
Единичный расход потока в этом случае рассчитывается по формуле
В.И. Давидовича:
=
ф
55
(
)
.
Неустановившееся движение в отличие от установившегося характеризуется переменным во времени движением. В природных условиях уровни
подземных вод колеблются под влиянием неравномерной фильтрации осадков, изменения положения уровней в поверхностных водоемах и т.д.
На колебания уровней существенное влияние оказывают искусственные
факторы, такие как создание в речных долинах водохранилищ, орошение земель, осушение заболоченных территорий, водопонижение при различных
видах строительства и разработке полезных ископаемых.
Учет этих факторов при условии неустановившейся фильтрации позволяет правильно решать практические гидрогеологические задачи, прогнозировать условия работы инженерных сооружений и условия изменения природных гидрогеологических условий под влиянием инженерной деятельности
человека.
Для количественной оценки неустановившейся фильтрации обычно
рассматриваются одномерные или двухмерные в плане потоки подземных
вод. Существуют очень сложные уравнения решения задач неустановившегося движения, но наиболее широко используется метод конечных разностей,
который позволяет определить как расход грунтового потока, так и проследить изменение положения кривой депрессии во времени с учетом основных
факторов в формировании режима подземных вод, условий их питания и разгрузки. Он является основой для численного решения разнообразных задач
фильтрации с помощью моделирования и применения ЭВМ. Метод конечных
разностей предложен Г.Н. Каменским для грунтовых вод, но с таким же успехом используется и для напорных.
Схема неустановившейся фильтрации показана на рис. 16.
Рис. 16. Схема к выводу уравнений неустановившейся фильтрации грунтовых вод в
конечных разностях
56
В упрощенном виде формула для установившейся фильтрации грунтовых вод при горизонтальном водоупоре имеет вид
,
=
,
,
+
μ
∆ ,
где W – инфильтрационное питание в промежутке времени Δt, μ – недостаток
насыщения при повышении уровня в элементе или водоотдача при снижении
уровня.
2.1.4. Понятие о водозаборах подземных вод и их классификация
Водозаборы – это инженерные сооружения, предназначенные для захвата подземных вод с целью использования их для водоснабжения, орошения и осушения месторождений полезных ископаемых.
Водозаборы бывают вертикальные (скважины, колодцы, шахты), горизонтальные (канавы, дренажные галереи), наклонные (кяризы). По характеру
вскрываемого горизонта они бывают грунтовые и артезианские. По степени
вскрытия водоносного горизонта водозаборы делятся на совершенные и несовершенные (рис. 17).
Рис.17. Типы грунтовых и артезианских скважин: а – совершенные, б – несовершенные
Совершенный водозабор вскрывает водоносный горизонт на полную
мощность, несовершенный – частично. В совершенный водозабор вода поступает через стенки скважины. В водоприемной части скважина оборудуется
фильтрами. Несовершенные скважины могут работать через стенки или только дном, а также одновременно через стенки и дно.
Для целей водоснабжения в зависимости от гидрогеологических условий водозаборы могут быть инфильтрационными, ярусными, спаренными,
многоярусными.
57
Инфильтрационные водозаборы работают в основном за счет привлечения поверхностных вод. Например, водозаборы г. Красноярска, расположенные на островах.
Ярусные водозаборы применяют при эксплуатации водоносных горизонтов грунтовых вод большой мощности. Захват воды осуществляется несколькими скважинами, водоприемная часть которых располагается в разных
частях разреза.
Спаренные водозаборы используют в случае близкого контакта пресных и соленых вод. При работе таких водозаборов не допускается перемещение границы между пресными и солеными водами.
Многоярусные водозаборы применяют в основном при захвате воды из
закарстованных пород.
Наиболее часто водозаборы подземных вод состоят из вертикальных
скважин, расположенных по определенному геометрическому контуру. Контурные системы бывают линейные, круговые, площадные и неупорядоченные.
Перед расчетом водозаборов проводятся следующие предварительные
исследования:
1. По материалам изысканий составляется геоинфильтрационная схема
водоносных горизонтов района водозабора. На схеме отражаются граничные
условия, пьезоизогипсы эксплуатируемого горизонта, области питания, площади с различной водопроводимостью пород;
2. Из гидрогеологических и технико-экономических соображений задается система водозаборных скважин;
3. Устанавливаются конструктивные размеры и допустимое понижение
уровня воды в скважинах;
4. Определяется режим работы водозабора, т.е. скважины, оборудованные глубинными насосами, будут работать при постоянном дебите, соответствующем оптимальной производительности установленного насосного оборудования, а открытые самоизливающиеся скважины, как правило, работают
при режиме постоянного напора (понижения) на устье скважины/, соответствующего отметке самоизлива.
Если водозаборное сооружение работает не испытывая влияния других
водозаборов, оно называется одиночным в отличие от взаимодействующих,
состоящих из нескольких скважин, которые оказывают влияние на работу соседних скважин, снижая их производительность. Взаимодействующие водозаборы различаются по схемам расположения, которые могут быть закономерными (линейные, кольцевые, по сетке) и произвольными.
При работе водозаборных сооружений движение подземных вод становятся нарушенным. Вследствие непрерывного отбора воды вокруг водозаборов начинает развиваться депрессионная воронка. При этом в безнапорных
водах происходит осушение водоносного пласта в пределах интенсивно развивающейся депрессионной воронки. В напорных водах, вследствие наличия
58
избыточных давлений над кровлей пласта, непосредственного осушения его
не происходит, и поступление воды в скважину обеспечивается за счет высвобождения упругих запасов пласта и перехвата естественных расходов потока.
В пределах депрессионной воронки параметры потока непрерывно изменяются, что отвечает периоду резко выраженной неустановившейся фильтрации. Со временем интенсивность развития депрессионной воронки затухает, происходит стабилизация дебитов и уровней во всех сечениях потока. Такой режим соответствует установившейся фильтрации.
Размеры депрессионной воронки характеризуются радиусом влияния,
под которым понимается расстояние от центра скважины, на котором депрессионная поверхность сливается с естественным уровнем, т.е. не наблюдается
влияние отбора воды.
При работе водозаборной скважины происходит понижение уровня
подземных вод, как в самой скважине, так и в пределах депрессионной воронки в пределах радиуса влияния. Понижение уровня воды отсчитывается от
реальной пьезометрической или свободной поверхности подземных вод.
Водозаборы, предназначенные для защиты объекта от подтопления, а
также для снижения уровня подземных вод заданной глубины, обычно называют дренажными сооружениями.
Глубина от поверхности земли до пониженного уровня подземных вод
называется нормой осушения. При гражданском и промышленном строительстве норма осушения не превышает 3,5 – 5 м.
В зависимости от целей и назначения дренажные сооружения подразделяют на горизонтальный, вертикальный и комбинированный типы дренажа.
Горизонтальные дренажи (кротовые, траншейные и трубчатые дрены,
лотки, канавы, галереи, штреки) могут быть открытыми и закрытыми. Они
используются при небольшой глубине подземных вод.
Вертикальный дренаж (скважины) используется при необходимости
значительного снижения уровня подземных вод.
Комбинированные дренажи (например, штреки и вертикальные скважины) используются для снижения уровня в нескольких водоносных горизонтах.
Дренажные сооружения, расположенные по одной линии, называют линейным дренажем. Если линейные системы перехватывают поток со стороны
водораздела, они называются головными, если со стороны реки – береговыми.
Если дренажные сооружения расположены по контуру осушаемого участка, дренаж называется кольцевым. Планово расположенные дрены в пределах осушаемой площади называют систематическим дренажем.
59
2.1.5. Притоки воды к водозаборным сооружениям
Движение подземных вод к совершенной артезианской скважине.
Впервые теория притока воды к вертикальным водозаборам была разработана Ж.Дюпюи (1875 г). Формулы Дюпюи и в настоящее время имеют
широкое применение на практике.
При расчета водопритоков к колодцам допускают, что водопроводимость водоносного пласта постоянна, а подстилающий этот пласт водоупор
залегает горизонтально (рис. 18).
Основная расчетная формула определения притока воды в совершенный артезианский колодец [5]:
,
где Q – приток воды в скважину, м3/сут; К –
коэффициент фильтрации, м/сут; m – мощность водоносного горизонта, м; R – радиус
влияния откачки, м; rc – радиус скважины, м;
Sc – величина понижения уровня воды, м.
Для построения депрессионной воронки может быть использована формула
,
где Hr – высота напора при откачке в сечении, удаленном от скважины на расстоянии
r.
При двух наблюдательных скважинах,
расположенных от опытной на расстояниях
r1 и r2 с пьезометрическими напорами при откачке H1 и H2, Hr определяется
по формуле
Рис. 18. Схема движения воды к
артезианской скважине: а – разрез, б – план
.
Эта формула более надежна, т.к. исключает использование радиуса
влияния R, определение которого весьма приближенное.
Для характеристики водообильности напорного горизонта и возможной
производительности скважины используют удельный дебит q – количество
воды, приходящейся на 1 м понижения, т.е.
= .
В случае напорно-безнапорного движения (рис. 19), когда понижение
уровня (S) больше напора над кровлей (hк) приток воды в скважину определяется по формуле
=
[(
,
)
]
,
где H – напор потока, м; h0 – остаточный столб воды в скважине после снижения уровня, м.
Рис. 19. Приток воды к колодцу, работающему в условиях напорно-безнапорных
вод
В этом случае депрессионная поверхность рассчитывается по формулам
для грунтового движения.
Для определения притока воды в совершенную грунтовую скважину
Ж.Дюпюи предложил формулу
=
,
(
)
.
Буквенные обозначения см. на рис. 20.
Депрессионную воронку можно отстроить по формуле
ℎ =
−
61
,
.
Более точно депрессионная кривая строится при наличии двух наблюдательных скважин, расположенных на расстоянии r1 и r2 от действующей
скважины и имеющих мощности h1 и h 2:
.
В случае несовершенных скважин при их работе возникает дополнительное сопротивление, которые вызывают более значительные понижения
уровня воды по сравнению с совершенными скважинами при условии одинаковых дебитов. Расчетные формулы учитывают несовершенство скважин путем введения поправок.
Определение понижений в несовершенных скважинах определяется для артезианской и грунтовой скважин по формула соответственно:
и
,
где ξ – поправка на несовершенство скважины, которая определяется в зависимости от
параметров l0/m и m/rc. Эти значения определяются по графикам в зависимости от расположения водоприемной части скважины или
по табл. 4.
Рис. 20. Схема движения воды к
грунтовой совершенной скважине: а – разрез, б – план
Дебиты несовершенных скважин рассчитываются по формулам Н.Н. Веригина, т
е. в формулы Дюпюи для артезианской и
грунтовой скважин вводятся поправки на несовершенство ξ:
и
Таблица 4
Определение поправки на несовершенство скважин
l0/m
0,1
0,3
0,5
0,7
0,9
0,05
0,00391
0,00297
0,00165
0,000546
0,000048
1
3
0,122
2,04
0,0908 1,29
0,0494 0,656
0,0167 0,237
0,0015 0,0251
10
10,4
4,79
2,26
0,879
0,128
m/rc
30
24,3
9,2
4,21
1,69
0,3
100
42,8
14,5
6,5
2,67
0,528
200
53,8
17,7
7,86
3,24
0,664
500
69,5
21,8
9,64
4,01
0,846
1000
79,6
24,9
11,0
4,58
0,983
2000
90,9
28,2
12,4
51,9
1,12
При неустановившемся движении подземных вод в зоне влияния действующих скважин происходит непрерывное изменение во времени уровней,
скоростей движения и расходов подземных вод. При расчетах принимают
расход скважин постоянным во времени, а напор потока переменным по площади и во времени:
= ( , ).
Основные формулы в теории неустановившейся фильтрации позволяют
определять понижение S в любой точке области фильтрации для артезианской скважины по формуле
,
=
,
=
,
.
Для грунтовой скважины формула будет иметь вид:
=
−
−
,
,
,
где Q – дебит водозабора, м3/сут; Km – водопроводимость пласта, м2/сут; a –
пьезопроводимость пласта для артезианского колодца, уровнепроводимость –
для грунтового, м2/сут; t – время работы водозабора, сут; r - расстояние от водозабора, на котором определяется понижение уровня, м; S – понижение
уровня, м; H e – мощность водоносного горизонта грунтовых вод в естественных условиях, м; K – коэффициент фильтрации, м/сут.
Тема 2.2 Запасы и ресурсы подземных вод
План:
2.2.1. Естественные, искусственные и эксплуатационные запасы
2.2.2. Классификация эксплуатационных запасов подземных вод по степени изученности
2.2.3. Методы определения эксплуатационных запасов
63
подземных вод
2.2.4. Понятия о месторождениях пресных подземных вод
2.2.5. Условия эксплуатации и охрана подземных вод
от загрязнения
2.2.6. Требования к геологической информации в процессе оценки эксплуатационных запасов подземных вод
2.2.1. Естественные, искусственные и эксплуатационные запасы
Подвижность подземных вод и их возобновляемость заложены в основу
количественных категорий запасов. В классификационных схемах выделяют
запасы и ресурсы подземных вод. Понятие о естественных ресурсах и естественных запасах подземных вод было введено в 1933 г Ф.П. Саваренским.
Различие между ресурсами и запасами заключается в том, что запасы
выражаются объемом подземных вод (м3, км3), а ресурсы – расходом (л/с,
м3/сут, км3/год).
Естественные запасы – это объем гравитационной воды, заполняющей
поры, трещины и карстовые пустоты в водовмещающих породах водоносного
пласта, комплекса, бассейна. В напорном водоносном горизонте выделяются
упругие естественные запасы – объем воды, высвобождающийся при вскрытии водоносного пласта без его осушения и снижения в нем пластового давления.
Под естественными ресурсами понимается величина питания водоносного горизонта в ненарушенных эксплуатацией подземных вод гидрогеологических условиях. Естественные ресурсы складываются из инфильтрации атмосферных осадков, привлечения естественных водотоков и водоемов, перетекания из смежных горизонтов, притока воды из смежных структур и т.д.
Естественные ресурсы могут быть оценены и по суммам всех расходных элементов баланса водоносного горизонта: испарения, родникового стока, подземного стока в реки, оттока из водоносного горизонта за пределы месторождения.
Величина естественных ресурсов изменяется по сезонам года и в течение нескольких лет в зависимости от интенсивности питания, поэтому они
выражаются среднегодовыми и минимальными значениями модуля подземного стока.
Естественные ресурсы подземных вод являются важнейшим источником формирования эксплуатационных запасов и определяют обеспеченность
последних, т.е. возможность извлечения того или иного количества воды на
объектах водоснабжения. На многих месторождениях естественные запасы и
ресурсы подземных вод являются основным источником формирования эксплуатационных запасов.
Эксплуатационные запасы – это количество подземных вод, которое
может быть получено рациональными в технико-экономическом отношении
64
водозаборными сооружениями при заданном режиме эксплуатации и при качестве вод, удовлетворяющем целевому назначению в течение всего расчетного времени эксплуатации. Если на водозаборном участке отсутствуют другие источники формирования подземных вод, то эксплуатационные запасы
Qэ.з можно определить по формуле
э.з
=
е.р α
+
е.з
α .
где Qе.р – естественные ресурсы подземных вод; Vе.з – естественные запасы
подземных вод; Т – время эксплуатации; α и α1 – коэффициенты извлечения
ресурсов и запасов подземных вод.
В интересах теории и практики использования подземных вод возникла
необходимость выделять искусственные запасы и ресурсы, привлекаемые ресурсы.
Искусственные запасы – это объем подземных вод, накопившихся в
горных породах под влиянием инженерной деятельности человека (магазинирование подземных вод, орошение, фильтрация из каналов и водохранилищ).
Искусственные ресурсы характеризуются расходом воды, поступающим в
водоносный горизонт благодаря техногенным процессам (фильтрация из каналов и водохранилищ, массивов орошения и т.д.).
Привлекаемые ресурсы формируются в эксплуатируемом водоносном
горизонте за счет привлечения вод поверхностных водотоков и водоемов и
перетекания вод из нижележащих горизонтов.
2.2.2. Классификация эксплуатационных запасов подземных вод по
степени изученности
Основные принципы и требования к оценке эксплуатационных запасов
и прогнозных ресурсов пресных подземных вод определяются действующей в
настоящее время (с 1 января 2008 г) Классификацией запасов и прогнозных
ресурсов питьевых, технических и минеральных подземных вод. Классификация утверждена в соответствии с Положением о федеральном агентстве по
недропользованию согласно Постановлению Правительства Российской Федерации № 293 от 17 июня 2004 г. Запасы питьевых, технических и минеральных подземных вод подсчитываются по результатам геологоразведочных
работ, выполненных в процессе геологического изучения и оценки предоставленных в пользование участков недр, а также по данным разведки таких
участков или эксплуатации водозаборных сооружений для добычи подземных
вод.
Требования к качеству питьевых и минеральных подземных вод, а также к организации зон санитарной охраны водозаборных сооружений определяются в порядке, установленном законодательством Российской Федерации.
65
Эксплуатационные запасы подземных вод (ЭЗПВ) подсчитываются на
месторождениях подземных вод и оцениваются их расходами (м3/сут), которые могут быть получены проектными водозаборными сооружениями при заданном режиме эксплуатации и при качестве вод, удовлетворяющем целевому назначению в течение всего расчетного времени эксплуатации.
По возможности использования подземных вод они подразделяются на
две основные группы, подлежащие раздельному расчету и подсчету: балансовые и забалансовые. К балансовым относятся запасы подземных вод, которые
по своему химическому составу соответствуют требованиям, установленным
законодательством Российской Федерации. К забалансовым относятся запасы
питьевых и минеральных вод, качество которых по ряду показателей не соответствуют установленным требованиям, и отсутствуют условия для создания
зон санитарной охраны водозаборных сооружений.
Согласно действующей Классификации эксплуатационные запасы подземных вод по степени изученности подразделяются на разведанные – категории А, В, С1 и предварительно оцененные – категория С2. Прогнозные
эксплуатационные ресурсы по степени обоснованности относятся к категории
P.
При выделении отдельных категорий запасов подземных вод учитываются степень изученности геологического строения и гидрогеологических условий месторождения, степень достоверности определения гидрогеологических параметров продуктивного горизонта и разделяющих слоев, степень
изученности качества воды, гидрогеологическая подготовленность разведанного участка к промышленному освоению.
Запасы категории А должны удовлетворять следующим требованиям:
мощность, строение и условия залегания водоносных горизонтов, положение
уровней подземных вод, литологический состав и изменение фильтрационных свойств водовмещающих пород по площади и в разрезе и другие показатели изучены с детальностью, достаточной для достоверной качественной
оценки источников формирования эксплуатационных запасов подземных вод
и обоснования граничных условий, выбранных для расчета.
Запасы категории А выделяются на месторождениях или участках недр,
в пределах которых имеются действующие водозаборы по добыче подземных
вод.
Запасы категории В выделяются на месторождениях или участках недр,
в пределах которых имеются действующие водозаборы (переоценка запасов),
а также на месторождениях подземных вод 1-й и 2-й групп сложности. Основанием для выделения запасов по категории В являются геологическая изученность, гидрогеологические и физико-географические, водохозяйственные
и экологические условия участка недр или месторождения; достаточная информация для обоснования природной гидрогеологической модели и зоны
возможного распространения влияния отбора подземных вод при эксплуатации водозаборных сооружений; достоверно определенные по результатам
66
одиночных и кустовых опытных откачек гидрогеологические параметры для
расчета эксплуатационных запасов. Качество подземных вод должно соответствовать установленным требованиям в зависимости от целевого назначения
воды.
Запасы категории С1 выделяются на вновь выявленных и оцененных
месторождениях подземных вод независимо от группы сложности месторождений по геолого-гидрогеологическим условиям. Запасы этой категории также могут выделяться в пределах ранее разведанных и учитываемых в государственном балансе месторождений, а также на участках недр с действующими водозаборами по добыче подземных вод, не имеющих включенных в
государственный баланс запасов.
При оценке запасов по категории С1 гидрогеологические и другие параметры и показатели определены по данным преимущественно одиночных
откачек, геофизических, гидрометрических и других видов работ, а также по
данным ранее проведенных работ для других целей. Кроме того, ориентировочно обоснованы и оценены источники формирования запасов.
Запасы категории С2 так же, как и С1 выделяются на вновь выявленных
и оцененных месторождениях подземных вод. Для категории С2 выполняется
предварительный подсчет эксплуатационных запасов для обобщенных условных схем водозаборных сооружений, предварительно изучается качество подземных вод и возможность их использования для соответствующих целей.
Таким образом, категории эксплуатационных запасов подземных вод
характеризуют степень их изученности и их подготовленность для дальнейшего изучения. В соответствии с Классификацией запасы по категории А
считаются освоенными, по категории В – разведанными, по С1 – предварительно оцененными, по С2 – выявленными.
Отнесение эксплуатационных запасов подземных вод к той или иной
категории зависит от сложности геологических и гидрогеологических условий месторождений подземных вод, а также экологических, водохозяйственных, горно-геологических и других условий.
В соответствии с Классификацией месторождения подземных вод или
их участки относятся к четырем группам сложности.
К 1-й группе относятся месторождения (части месторождений) или участки недр с простым геологическим строением, гидрогеологическими, водохозяйственными, экологическими, горно-геологическими и другими условиями. Характерными особенностями месторождений (частей месторождений) или участков недр 1-й группы является спокойное и ненарушенное залегание и устойчивая мощность водоносных горизонтов и изолирующих слабопроницаемых пластов, однородные фильтрационные свойства водовмещающих пород, выдержанные в плане и разрезе гидрогеохимические (газогидрохимические) и температурные закономерности.
Такие месторождения приурочены к артезианским бассейнам платформенных структур, реже к предгорных прогибов и межгорных впадин, а также
67
к водоносным горизонтам (комплексам) речных долин, предгорных конусов
выноса и др. Источники формирования запасов здесь могут быть оценены по
данным геологического изучения и разведки участков недр. Может быть выполнен обоснованный прогноз влияния проектируемого отбора подземных
вод на окружающую среду и состояние недр. Для геологического изучения и
разведки участков недр могут применяться стандартные методы и технологии
проведения геологоразведочных работ.
В пределах участков недр и месторождений по результатам геологического изучения и разведки могут быть выделены запасы категорий В, С1 и С2,
а в пределах участков недр и ранее разведанных месторождений в используемых участках недр с действующими водозаборами, кроме того, и запасы категории А при оценке и переоценке их запасов.
Ко 2-й относятся месторождения (части месторождений) или участки
недр со сложным геологическим строением, гидрогеологическими, водохозяйственными, экологическими, горно-геологическими и другими условиями.
Для таких месторождений характерны нарушенное залегание, неустойчивая
мощность водоносных горизонтов и осложненное внутреннее строение эксплуатационных водоносных горизонтов (а также изолирующих водоупорных
пластов), неоднородность фильтрационных свойств водовмещающих пород в
плане и разрезе, невыдержанные гидрогеохимические и геотемпературные
закономерности и неоднозначность прогнозов по возможному изменению количества и качества вод при эксплуатации водозаборных сооружений.
Такие месторождения наиболее часто приурочены к предгорным и межгорным артезианским бассейнам, но могут встречаться и в артезианских бассейнах платформенных структур при приуроченности водоносных горизонтов
к трещиноватым и трещинно-карстовым породам, в речных долинах, а в отдельных случаях и в пределах гидрогеологических массивов и гидрогеологических складчатых областей и др.
Источники формирования запасов по данным геологического изучения
и разведки количественно могут быть оценены лишь частично с различной
степенью достоверности.
Для геологического изучения и разведки участков недр в основном используются стандартные методы. Как правило, в ряде случаев необходимо
применение более сложных технологий, включающих комплекс наземных
геофизических исследований, бурение опережающих пилотных скважин с отбором керна, проведение продолжительных кустовых откачек и др.
К 3-й относятся месторождения и участки недр с очень сложным геологическим строением, гидрогеологическими, физико-географическими, водохозяйственными, экологическими и горно-геологическими условиями. Для
таких месторождений характерны ограниченные размеры и резкая изменчивость фильтрационных свойств водовмещающих пород и сложные гидрогеохимические и геотемпературные условия и, как следствие, неопределенность
68
прогнозов по возможному изменению количества и качества вод при эксплуатации водозаборных сооружений.
Месторождения (части месторождений) или участки недр 3-й группы
приурочены к гидрогеологическим массивам, гидрогеологическим складчатым областям, а также межгорным артезианским бассейнам и связаны с водоносными зонами трещиноватости различного генезиса или закарстованными
и ограниченными по площади массивами карбонатных пород в различных
гидрогеологических структурах.
Источники формирования запасов по данным геологического изучения
и разведки количественно могут быть оценены приближенно. Для количественных прогнозов изменений расходов и уровней следует использовать анализ имеющихся гидрогеологических и воднобалансовых закономерностей и
метод аналогий.
Для геологического изучения и разведки участков недр используются
сложные методы и технологи, включающие различные методы наземных
геофизических исследований, опробование водоносных горизонтов и водоносных зон трещиноватости пород, продолжительные кустовые и опытноэксплуатационные откачки и др.
В пределах участков недр 3-й группы по результатам геологического
изучения следует рекомендовать выделение запасов категории С2, а разведки
категории С1. В пределах ранее разведанных месторождений в отдельных
случаях выделение запасов категории В.
К 4-й группе относятся месторождения минеральных вод (или участки
недр), характеризующиеся исключительно сложными геологическим строением, гидрогеологическими, газогидрохимическими и горно-геологическими
условиями. Основная особенность месторождений и участков недр является
резкая изменчивость распространения водоносных зон трещиноватости в породах различного генезиса в плане и разрезе и сложность их выявления геофизическими и другими методами.
Месторождения и участки недр 4-й группы приурочены обычно к зонам
глубинной разгрузки флюидов тектонических разломов.
Получение исходных данных для количественных прогнозов дебитов,
уровней и температуры возможны по данным длительных кустовых и опытно-эксплуатационных откачек, а также опытно-промышленной эксплуатации.
По данным стандартных методов геологического изучения и разведки участков недр источники формирования запасов не могут быть оценены достоверно. По данным геологического изучения и (или) разведки выделяются категории С2, по данным опытно-промышленной эксплуатации – категории С1.
69
2.2.3. Методы определения эксплуатационных запасов
подземных вод
Завершающим этапом изучения месторождений подземных вод является оценка разведанных запасов. Для достоверной оценки запасов используется одновременно несколько методов. Наиболее распространенным является
гидродинамический метод, основанный на принципе фильтрационной схематизации гидрогеологических условий разведанного участка [8].
В реальных природных условиях границы фильтрационного потока могут иметь очень сложные очертания в плане и разрезе. Для аналитических
расчетов они заменяются наиболее часто встречающимися на практике расчетными схемами: пласт, неограниченный в плане (природные границы находятся за пределами возможного их влияния на режим водозабора); пласт полуограниченный (рис. 21а) (расчетная схема, в которой одна из границ области фильтрации может оказывать влияние на режим водозабора); ограниченный пласт (рис. 21б) (две параллельные границы влияют на режим работы
эксплуатационных скважин); пласт-круг (рис. 21в) (область фильтрации небольших размеров с замкнутой границей, которая повсеместно оказывает
влияние на работу водозабора).
Рис. 21. Типовые простейшие схемы водоносных пластов в плане:
1 – водоносные породы; 2 – контур пласта; 3 – скважина; 4 – направление потока
Схеме неограниченный пласт отвечают месторождения напорных вод
или грунтовых вод широких речных долин.
Для полуограниченного пласта расчеты эксплуатационных запасов могут выполняться в зависимости от характера границ (H = const или Q = const)
по уравнениям установившегося или неустановившегося движения.
Гидрогеологические условия схемы пласт-полоса характерны для месторождений речных долин, когда коренной борт долины можно рассматривать как контур с постоянным расходом (Q = const), а реку – как контур с постоянным напором (H = const).
70
Пласт, ограниченный круговым контуром, характерен для трещиннокарстовых вод.
Если водозабор состоит из 8–10 скважин расчеты простые и ведутся по
формулам динамики подземных вод, в которых понижение принимается расчетным:
расч
≤
доп .
При большом количестве скважин расчеты проводятся для обобщенных
схем (метод «большого колодца»). Количество взаимодействующих скважин
условно заменяется одним укрупненным каптажным сооружением, в центре
которого определяется расчетное понижение уровня подземных вод при заданной производительности.
Радиус «большого колодца» R0 составляет
= 0,2 – для линейных схем;
= 0,1 – для площадных схем;
=
– для кольцевых схем,
где l – длина реального ряда скважин; P – периметр площади расположения
скважин; R – радиус кольца, по которому расположены скважины.
Для условий неограниченного в плане пласта используется приведенный радиус
пр
= 1,5√ ,
где a – пьезопроводность или уровнепроводность пласта, t – время эксплуатации водозабора, сут.
Тогда понижение уровня подземных вод непосредственно в скважине
Sск радиусом rc определяются по выражению
ск
=
,
,
с
.
Гидравлический метод состоит в том, что расчетный дебит водозабора
(или прогнозное понижение) оценивается по эмпирическим данным, полученным в процессе откачек. Гидравлический метод применяется для месторождений 1-й и 2-й групп сложности. Данный метод можно использовать для
прогнозной оценки динамического понижения уровня подземных вод в скважине при заданном ее дебите по кривым зависимостей дебита от понижения в
условиях установившегося режима фильтрационного потока; для прогнозной
71
оценки величины срезок уровня воды при расчетах взаимодействующих
скважин (в условиях установившегося режима потока); для определения понижения уровня на конец расчетного периода в эксплуатационной скважине
при постоянном дебите по установленному эмпирическим путем закону снижения уровня во времени при заданном водоотборе (в условиях неустановившегося режима потока).
Балансовый метод. Оценка эксплуатационных запасов подземных вод
заключается в определении расхода подземных вод на водозаборном сооружении в пределах данного района за счет привлечения различных источников
их формирования.
При использовании балансового метода баланс участка рассматривается
в целом по приходным и расходным статьям. Этот метод позволяет оценить
общее прогнозное снижение уровней продуктивного горизонта.
Балансовым методом нельзя определить снижение уровня в водозаборе,
а также ее производительность. Метод используется как дополнительный метод в комплексе с другими.
Метод гидрогеологической аналогии. Сущность метода состоит в использовании данных о режиме эксплуатации подземных вод на участке действующих водозаборов для оценки запасов на разведанном участке.
2.2.4. Понятия о месторождениях пресных подземных вод
Типы месторождений
Подземные воды, как и другие полезные ископаемые, в верхней части
земной коры образуют месторождения, в пределах которых обычно и формируется то или иное количество естественных ресурсов и запасов.
Впервые о «водных месторождениях» писал Г.Н. Каменский в своей
работе «Поиски и разведка подземных вод». В 1959 г Н.И. Плотников сформулировал научное представление о месторождениях подземных вод.
Под месторождением подземных вод подразумевается пространственно ограниченная часть водоносной системы, в пределах которой под влиянием естественных или искусственных факторов создаются благоприятные по
сравнению с окружающими площадями условия для отбора подземных вод в
количестве, достаточном для целевого использования.
Степень сложности различных типов месторождений пресных подземных вод определяется несколькими факторами: условиями залегания, распространения и строения водоносных горизонтов, изменчивость мощности и
фильтрационных свойств водовмещающих пород, источники формирования
эксплуатационных запасов и гидрохимической обстановкой.
Часть месторождения, где производится непосредственный отбор подземных вод для практического использования, называется эксплуатационным
или водозаборным участком.
72
Водоносный горизонт, за счет которого работает водозабор, называется
продуктивным. Выбор под разведку продуктивного водоносного горизонта
может производиться по ранее проведенным исследованиям, по опыту работы
действующих водозаборов или по результатам поисковых работ.
Месторождения подземных вод могут быть непромышленного типа и
промышленные. К непромышленным типам месторождений подземных вод
можно отнести бассейны трещинных вод зоны выветривания интрузивных,
эффузивных и других пород. На площади таких бассейнов породы обладают
низкими фильтрационными показателями, отсутствуют благоприятные геолого-структурные условия для формирования крупных естественных ресурсов и
запасов подземных вод.
Методика поисков, разведки и оценки эксплуатационных запасов пресных подземных вод непромышленного типа проста. Сущность разведки состоит в бурении одной или двух разведочных скважин для непосредственного
вскрытия водоносного горизонта. Затем проводятся опытно-фильтрационные
работы для установления зависимости дебита от понижения
= ( ),
определения удельного дебита (q) и возможности получения максимального
дебита (Q эксп), удовлетворяющего заявку потребителя, используя уравнение
кривой дебита
=
,
где S – допустимое понижение в водозаборе.
Для грунтовых вод допустимое понижение выбирается из расчета
доп
= (0,6 ÷ 0,7) .
Для напорных вод с высокими значениями напоров над кровлей
доп
= ℎк или
доп
= ℎк +
,
если напоры незначительные [8].
Месторождения промышленного типа используются для крупного
централизованного водоснабжения. Нижний предел эксплуатационных запасов должен быть не менее 5 – 8 тыс. м3/сут.
К факторам, определяющим закономерности формирования промышленного типа месторождений подземных вод относятся геолого-структурные,
гидрогеологические, геоморфологические, климатические и технические.
73
Учитывая специфику формирования типа эксплуатационных запасов,
выделяют следующие типы месторождений подземных вод: речных долин;
трещинно-карстовых вод карбонатных пород; на площади распространения
линз пресных вод; на площади крупных артезианских бассейнов платформенного типа; на площади бассейнов горно-складчатых областей; на площади
конусов выноса предгорных шлейфов; трещинно-жильных вод зон тектонических нарушений; флювиогляциальных межморенных четвертичных отложений.
2.2.5. Условия эксплуатации и охрана подземных вод
от загрязнения
Научно-производственный процесс изучения месторождений подземных вод не завершается стадией детальной разведки, а продолжается и в период промышленного освоения.
В процессе эксплуатации подземных вод устанавливается наблюдение
за режимом эксплуатации подземных вод на водозаборном участке. При отборе потребного количества воды снижение уровня не должно превышать допустимого понижения.
Очень важны сведения по изучению формирования депрессионной воронки. С этой целью в соответствии с действующей Инструкцией ГКЗ ведутся непрерывные наблюдения за естественным режимом грунтовых вод и неглубоко залегающих артезианских вод в течение одного года.
В процессе эксплуатации водозаборного сооружения ведутся наблюдения за дебитом эксплуатационных скважин, уровнем подземных вод и температурой, наблюдения за химическим составом подземных и поверхностных
вод и их санитарно-бактериологическим состоянием, наблюдения за техническим состоянием эксплуатационных скважин. Все перечисленные виды работ
проводятся по постоянно действующей сети наблюдательных пунктов, которая закладывается еще на стадии детальной разведки. В случае отсутствия такой сети геологоразведочная организация обязана организовать на эксплуатационном участке цикл режимных наблюдений.
Наблюдательные скважины должны располагаться непосредственно в
центре и на флангах водозаборного сооружения, а также в зоне его влияния
по площади депрессионной воронки.
В процессе работы водозаборного сооружения обязательно ведутся наблюдения за качеством воды, не происходит ли его изменение в результате
отбора воды или под влиянием различных очагов или источников загрязнения. С этой целью на стадии разведки проводится обоснование зон санитарной охраны будущего водозаборного сооружения. Зона санитарной охраны
объединяет три пояса [2].
Первый пояс (строгого режима) предназначен для охраны и защиты
участка, непосредственно примыкающего к водозабору. Границы пояса
74
должны находиться на расстоянии 50 м при использовании грунтовых вод и
30 м – при использовании напорных вод.
Второй пояс предназначен для защиты водоносного горизонта от микробных загрязнений. Границы пояса рассчитываются, они находятся на таком
расстоянии от водозаборного сооружения, чтобы полностью исключить миграцию тех или иных загрязнителей.
Третий пояс предназначен для защиты подземных вод от химического
загрязнения. Границы пояса также рассчитываются при допущении, что загрязняющие химические элементы не достигнут водозабора в течение всего
срока работы, т.е. в течение 25 лет.
2.2.6. Требования к геологической информации в процессе оценки
эксплуатационных запасов подземных вод
В процессе оценки эксплуатационных запасов подземных вод геологоструктурные условия месторождения являются главным природным фактором, определяющим тип гидрогеологической структуры (артезианский бассейн или гидрогеологический массив), а литологический состав водовмещающих пород и сведения об их коллекторских свойствах позволяют установить тип подземных вод (пластовые или трещинные).
Геологическое строение и тектоника месторождения подземных вод
определяют условия питания и движения подземных вод.
При подсчете эксплуатационных запасов подземных вод и их категоризации необходимо, как указывалось в предыдущих разделах, знать группу
сложности месторождений подземных вод, в основу выделения которой положены литолого-структурные особенности. Например, для месторождений
первой группы сложности характерно распространение преимущественно
рыхлых водовмещающих пород со спокойным залеганием и выдержанной по
площади мощностью продуктивного горизонта.
Сведения о геологическом строении месторождения берутся из источников предыдущих геологических исследований (например, разного масштаба съемок). Непосредственно на месторождении подземных вод геологическое строение изучается в процессе бурения скважин, изучения керна и различных исследований в скважинах, направленных на выявление зон повышенной трещиноватости (кернометрия) и интервалов притоков воды (резисцивиметрия).
Большую помощь при изучении геологического строения месторождений подземных вод оказывают геофизические исследования, по результатам
которых возможно литологическое расчленение изучаемого разреза, картирование по площади водоносных и слабопроницаемых разделяющих пластов
различного литологического состава с учетом их фациальной изменчивости в
плане, выявление степени трещиноватости и закарстованности водовмещаю-
75
щих карбонатных пород, исследование гидрогеохимической зональности подземных вод (по степени минерализации).
Таким образом, в результате бурения скважин и геофизических исследований устанавливается геолого-литологический разрез, условия залегания и
распространения выбранного под разведку продуктивного водоносного горизонта. Результаты изучения геологического строения позволяют выявить граничные условия фильтрационного потока в плане и разрезе и обосновать расчетную схему разведочного участка.
Согласно Инструкции ГКЗ для участка водозабора составляется геологическая карта и разрезы, отражающие геологическое строение. Выбор масштаба такой карты определяется необходимостью отразить распространение
проницаемых и водоупорных толщ, их литологический состав.
76
Раздел 3. Методика гидрогеологических исследований
Тема 3.1. Гидрогеологические исследования на месторождениях
полезных ископаемых
План:
3.1.1. Стадии исследований и виды работ
3.1.2. Методы определения притоков воды в горные выработки
3.1.3. Способы и средства осушения месторождений полезных ископаемых
3.1.4. Осушение месторождений полезных ископаемых и защита окружающей среды
3.1.1. Стадии исследований и виды работ
Гидрогеологические условия имеют значительное, нередко решающее
значение при оценке разведанных месторождений. Изучение гидрогеологических и инженерно-геологических условий проводится одновременно с геологоразведочными работами по этапам и стадиям.
Выделяется три основных этапа изучения гидрогеологических условий
на месторождениях полезных ископаемых: региональная геологическая съемка; поиски месторождений; разведка и эксплуатация.
На первом этапе проводится комплексная геолого-гидрогеологическая,
маршрутная или площадная съемка в масштабах 1:25000 – 100000 и мельче,
которой предшествует сбор и изучение всех фондовых и опубликованных материалов по району предстоящих работ. В процессе ведения съемки осуществляется наблюдение за источниками, колодцами, собираются материалы по
действующим и недействующим скважинам.
На втором этапе выполняются стадии поисков и поисково-оценочных
работ. Геолого-гидрогеологическая съемка проводится в более крупном масштабе: в сложных тектонических условиях – 1:25000, на месторождениях
платформенного типа – 1:50000. Бурятся одиночные гидрогеологические
скважины для производства опытно-фильтрационных работ, устанавливается
количество водоносных горизонтов, их состав, мощность, глубина залегания,
величина напоров, определяется взаимосвязь водоносных горизонтов между
собой и поверхностными водотоками. Наиболее полно приводится характеристика основного водоносного горизонта, за счет которого будут поступать
воды в горные выработки. Число гидрогеологических скважин должно составлять 15– 20 % от количества, проектируемого на стадии разведки. Опытные откачки из основных водоносных горизонтов должны проводиться не
менее чем из 1–2 опытных скважин, закладываемых на участках карьера или
шахтного поля. Характеристика физико-механических свойств горных пород
77
определяется по показателям проходки (категория буримости пород), а также
по лабораторным исследованиям образцов.
На разведочной стадии получают все основные данные о водоносных
горизонтах, связи их между собой и поверхностными водотоками; оценивают
водопритоки в разведочные и эксплуатационные горные выработки, разрабатывают мероприятия по борьбе с подземными водами, проводят инженерногеологические исследования; изучают влияние осушения на окружающую
среду и решают вопросы водоснабжения будущих горных предприятий.
На стадии разведки проводится комплексная гидрогеологическая съемка масштаба 1:50000 – 1:25000 на месторождениях платформенных областей
и 1:25000 – 1:10000 – горно-складчатых областей. Съемка сопровождается
полевыми геофизическими методами.
Глубина гидрогеологических скважин должна быть на 30–50 м больше
глубины оценки запасов полезного ископаемого, а конструкция – обеспечивать возможность качественного опробования водоносного горизонта. Количество скважин должно составлять 10–25 % от числа всех пробуренных на
месторождении [3].
Для определения усредненных параметров водоносных горизонтов проводятся 3–5 одиночных и 2–3 кустовые откачки на месторождениях, разрабатываемых открытым способом. Лучи наблюдательных скважин закладываются вкрест простирания бортов карьера. При подземном способе отработки
опытно-фильтрационные работы проводятся на ближайших к горным выработкам площадях – 5–8 опытных одиночных откачек и 3 кустовые.
На стадии разведки проводятся наблюдения за режимом подземных и
поверхностных вод. Режимные наблюдения проводятся не менее одного года
в 10 – 15 скважинах, расположенных от области питания к области разгрузки
для построения карты гидроизогипс. Результатом режимных наблюдений
должны быть прогнозы водопритоков, изменение уровней и химического состава во времени в процессе эксплуатации месторождения.
Независимо от стадии исследований для оценки обводнености необходимо гидрогеологическое обоснование и экономическая целесообразность
постановки поисково-разведочных работ.
Стадийное изучение гидрогеологических условий месторождения
должно обеспечивать полноту и достоверность гидрогеологических параметров для определения притоков воды в горные выработки, а также охрану окружающей среды при осушении месторождений.
На всех стадиях исследований изучаются следующие вопросы:
1. Площади распространения водоносных горизонтов, их литологический состав, условия залегания, области питания и дренажа, основные черты
режима поверхностных и подземных вод.
2. Возможные изменения режима подземных вод в процессе изучения
месторождения и влияние этих изменений на взаимосвязь подземных и поверхностных вод.
78
3. Возможные водопритоки в горные выработки и характер мероприятий по борьбе с подземными водами.
4. Общая характеристика источников водоснабжения.
5. Инженерно-геологические условия территории.
Для обеспечения достоверной информации, учитывая стадийность изучения подземных вод, выполняются следующие виды гидрогеологических исследований: сбор, обобщение и обработка материалов предшествующих работ; рекогносцировочное гидрогеологическое обследование; гидрогеологическая съемка; разведочные работы; опытно-фильтрационные работы; наблюдения за режимом подземных вод; опробование и лабораторные работы.
Сбор, обобщение и обработка материалов предшествующих работ
проводятся на начальных стадиях изучения подземных вод. Основное внимание уделяется сведениям о геологическом строении и гидрогеологических условиях района, о режиме работы действующих водозаборов и отдельных эксплуатационных скважин.
Рекогносцировочное обследование проводится с целью уточнения границ участка, предварительного изучения геоморфологических, геологических
и гидрогеологических особенностей, выявление технико-экономических условий проведения различных видов разведочных работ.
Гидрогеологическая съемка – это комплекс полевых исследований для
изучения и картирования гидрогеологических условий территории: количество водоносных горизонтов и комплексов, условия их залегания, закономерности распространения водоносных толщ и различных типов подземных вод и
их качество.
Разведочные работы состоят из проходки буровых скважин, реже
шурфов, канав и т.д. Гидрогеологические скважины позволяют изучить геолого-литологический разрез, мощность водоносного горизонта, положение
уровня и высоту напора.
Опытно-фильтрационные работы проводятся для определения гидрогеологических параметров. Поскольку опытно-фильтрационные работы являются основным видом работ, рассмотрим подробнее методику их проведения.
Основной и наиболее распространенный вид опытных работ – откачки.
При глубоком залегании подземных вод или слабой водообильности пород
применяются наливы в скважины, при изучении фильтрационных свойств пород зоны аэрации – наливы в шурфы.
Откачка – это принудительный отбор воды из водозаборных сооружений с помощью водоподъемников. Откачки подразделяются на пробные,
опытные, групповые и опытно-эксплуатационные.
Пробные откачки проводятся при поисках и разведке подземных вод
для предварительной оценки водообильности, качества вод и фильтрационных свойств пород. Откачки кратковременные и проводятся на одну ступень
понижения.
79
Опытные откачки – основной вид работ при разведке месторождений
подземных вод. Они проводятся для определения дебита Q, удельного дебита
q, зависимости дебита от понижения, коэффициента фильтрации Kф, коэффициентов уровне- или пьезопроводности (æ или а), радиуса влияния R и приведенного радиуса Rпр.
При наличии наблюдательных скважин определяются размеры и темпы
роста депрессионной воронки, связь между водоносными горизонтами, водоотдача μ, показатель несовершенства скважин ξ и т.д. продолжительность
окачек 5–15 сут. Количество ступеней понижения от одной до четырех.
Групповые откачки проводятся одновременно из нескольких скважин
для изучения взаимодействия их и определения гидрогеологических параметров на тех участках, где откачка из одной скважины не может обеспечить
нужного понижения.
Опытно-эксплуатационные откачки проводятся из одной или нескольких разведочно-эксплуатационных скважин при завершении разведки подземных вод в сложных гидрогеологических условиях для установления закономерностей изменения уровней подземных вод или их качества при заданном дебите в течение длительного времени (один – три месяца).
Проектирование кустовой откачки начинают с выбора схемы куста –
количества скважин и их взаимного расположения [3]. В центре куста располагается опытная скважина (или несколько), а в виде лучей к ней – наблюдательные. Минимальное число лучей в кусте – один, максимальное – четыре, а
количество наблюдательных скважин на них – не менее трех. По одному лучу
располагают скважины с четной нумерацией, по другому – с нечетной. Расстояние от опытной до соответствующей наблюдательной скважины определяется по полуэмпирической формуле
=
,
где r1 – расстояние до ближайшей наблюдательной скважины; n – номер наблюдательной скважины; а – коэффициент, подобранный путем численного
анализа, равный для напорных вод 2,5, для грунтовых – 1,5.
Ближайшую скважину располагают на расстоянии r1, примерно равном
мощности водоносного горизонта. Максимальное расстояние от опытной
скважины до самой дальней наблюдательной для грунтовых вод составляет
150 м, для напорных – 1500 м.
Расход при откачках определяется необходимостью снижения уровня в
опытной скважине не менее чем на 3 м в безнапорных и не менее 5 м в напорных водах. В наиболее удаленных наблюдательных скважинах снижение
уровня не должно быть менее 15–30 см.
Продолжительность одиночных откачек определяется их назначением и
гидрогеологическими условиями, но не должна превышать 15 суток, а для
опытных кустовых определяется соотношением
80
к
=
=
к
,
,
где r – расстояние до самой удаленной наблюдательной скважины; ϰ – коэффициент уровне- или пьезопроводности, м2/сут.
Общая продолжительность откачки t определяется по формуле
+
п,
где tп – представительное время, равное 5tк.
При проведении опытных работ ведут журнал, в котором отмечают
время замеров дебита и уровня воды в опытной и наблюдательных скважинах. Параллельно с журналом строят график зависимости дебита и уровня от
времени, график зависимости дебита от понижения.
Для проведения откачек используют водоподъемники различных видов
и конструкций. Для замера уровня воды в скважинах применяют уровнемеры.
Следует отметить, что гидрогеологические исследования на площади
месторождений проводятся и в период их эксплуатации. В этот период ведется гидрогеологическая и инженерно-геологическая документация горнопроходческих работ, осуществляется надзор за всеми мероприятиями по осушению, стационарные наблюдения за режимом подземных вод, проводятся лабораторные исследования бактериального и химического состава, контролируется состояние окружающей среды.
3.1.2. Методы определения притоков воды в горные выработки
Общее количество воды, которое будет поступать в горные выработки,
определяется в процессе разведки месторождения. Эксплуатация сильно обводненных месторождений полезных ископаемых в широких масштабах возможна при условии предварительного проведения полного объема осушительных мероприятий.
Наиболее распространенными методами определения притоков в горные выработки являются следующие [5]:
1. Метод гидрогеологических аналогий основан на изучении данных по
водоотливу из существующих рудников с учетом гидрогеологических условий. Обрабатываются сведения о величине водопритока и его режиме. Затем
рассчитывается величина водопритоков на единицу площади выработок (q,
м3/час на 1 км2 площади) и водоприток при понижении уровня на 1 м (q0):
=
и
81
= .
Эти значения распространяются на вновь проектируемый рудник, геологическое строение и гидрогеологические условия которого в общих чертах
аналогичны участку, по которому собраны материалы.
Будущий водоприток Q1 на заданном горизонте площадью F1 при проектном понижении S1 определяется по формуле
=
.
2. Расчет по коэффициенту водообильности.
Коэффициент водообильности – это отношение количества откаченной
воды Q в кубометрах к количеству добытого за тот же срок полезного ископаемого P:
в
= , м3/т.
Определение будущих водопритоков сводится к тому, что величину коэффициента водообильности, установленную для ряда шахт и лав, распространяют на запроектированные горные выработки, находящиеся примерно в
одинаковых гидрогеологических условиях, в тех же или новых месторождениях.
3. Определение водопритоков по водному балансу.
После сработки статических запасов в горные выработки начинают поступать динамические ресурсы подземных вод. Основной задачей является
установление величины динамических ресурсов, т.е. количества воды, поступающей в горные выработки со стороны постоянных источников питания
(инфильтрация атмосферных осадков, поглощение поверхностных вод, приток из других водоносных горизонтов). Для этого определяется величина подземного стока.
Этот метод применим для месторождений, разрабатываемых открытым
способом или неглубокими подземными выработками
4. Определение водопритоков по формулам динамики подземных вод.
Приток в совершенный грунтовый колодец определяется по формуле
=
,
,
где H – мощность горизонта; R – радиус влияния; r радиус горной выработки.
Для совершенного артезианского ствола в случае перехода потока из
напорного движения в безнапорное используется формула
=
,
82
(
)
.
Приток воды к совершенным грунтовым стволам, расположенным
близко от реки, определяется по формуле М.В. Сыроватко
=
,
где Z – расстояние от ствола шахты до реки.
Эта формула применима при Z < R.
5. Расчет водопритоков в систему горных выработок
В практике гидрогеологических исследований и проектирования горных предприятий в сложных природных условиях наиболее часто используется метод «большого колодца», предложенный С.В. Троянским.
Площадь, занятая горными выработками или дренажными устройствами, приравнивается к площади равновеликого колодца. Далее находят приведенный радиус r0, соответствующий площади «большого колодца»:
=
,
где F – площадь проектируемых выработок или площадь, ограниченная ближайшей замкнутой гидроизогипсой, оконтуривающей воронку депрессии.
Приток воды определяют по формулам Дюпюи.
Для карьеров приток воды по этому методу определяется несколько
иначе. Если карьер неправильной формы, приведенный радиус определяется
из формулы площади круга. Для карьеров правильной формы, если длина
превышает ширину более чем в 10 раз, приток воды определяют как в разрезную траншею. В случае, если отношение длины карьера к его ширине не превышает 10, приведенный радиус определяется по формуле
=
,
где η – параметр, усредняющий размеры колодца, определяется из соотношения L/B; L – длина карьера; B – ширина карьера.
3.1.3. Способы и средства осушения месторождений полезных
ископаемых
Обводненными называются месторождения, на которых подземные воды залегают выше слоя полезного ископаемого, или под пластом залегает водоносный горизонт с напорными водами, пьезометрический уровень которых
устанавливается выше почвы пласта полезного ископаемого.
83
Подземные или поверхностные воды, проникающие в горные выработки, называются рудничными или шахтными. Обводненность месторождений
зависит от водообильности пород, вмещающих полезное ископаемое и наличия среди покровных отложений обломочных или карбонатных карстующихся пород. Большие притоки в выработки могут поступать при расположении
месторождений вблизи открытых водотоков, в пределах речных долин, вблизи крупных массивов карбонатных пород.
Способы осушения месторождений напрямую зависят от факторов, определяющих их обводненность. К основным природным факторам относятся
климат, многолетняя мерзлота, рельеф местности, связь с реками, литологический состав вмещающих пород, тектоника района и т.д. К искусственным
факторам относятся старые затопленные выработки, незатампонированные
разведочные скважины и т.д.
Осушение месторождений проводится как предварительно, так и в
процессе строительства и эксплуатации шахт и карьеров, нарушая при этом
естественный режим подземных вод. Горные выработки становятся областями разгрузки, вследствие чего изменяется направление движения воды и уклоны потока (напорные градиенты) [7].
Нарушение режима подземных вод приводит к изменению питания водоносных горизонтов, обводняющих горные выработки: привлекаются поверхностные воды, подземные воды нижележащих горизонтов и т.д. В результате естественный режим подземных вод сменяется техногенным, который формируется под влиянием как природных, так и горно-технологических
факторов, от которых зависит величина водопритоков в горные выработки.
Наличие воды на подошве и уступах карьеров приводит к изменению
свойств горных пород. Глины размокают, набухают, теряют устойчивость.
При наличии в бортах карьеров песчано-глинистых пород подземные воды
вызывают оплывание песков.
При строительстве и эксплуатации шахт подземные воды затрудняют
проходку горных выработок, ведение очистных работ. Снижение уровня подземных вод приводит к росту деформаций горных пород, вследствие чего
возникают осадки земной поверхности, деформации относительных водоупоров в кровле и подошве горных выработок.
Различия в технологических схемах горных работ требуют раздельных
классификаций месторождений по дренируемости, учитывающих особенности открытой и подземной разработки (табл. 5, 6).
Поскольку притоки воды в карьеры формируются преимущественно за
счет подземных вод, рассмотрим основные виды дренажных систем, которые
включают поверхностный, подземный и комбинированный способы.
К поверхностному осушению относятся горизонтальный дренаж неглубокого заложения, глубокое водопонижение, ярусное осушение и устройство водопоглощающих скважин.
84
Горизонтальный дренаж осуществляется путем заложения водосборных открытых канав. Вода отводится самотеком за пределы карьерного поля.
Применение этого вида дренажа рационально при мощности покровной толщи меньше 20 м. По расположению в плане дрены бывают контурные (кольцевые), заградительные и систематические.
Ярусное (ступенчатое) осушение применяется при временном понижении уровня грунтовых вод на глубину до 20 м. Для этого закладывают несколько рядов скважин, из которых ведется откачка.
Водопонижающие скважины бурят с поверхности и оборудуют на дренируемом горизонте фильтром, предотвращающим деформации скважин.
Таблица 5
Классификация месторождений, разрабатываемых открытым способом,
по дренируемости [3]
Категория месторождений по
условиям осушения карьерных полей
I - простые
II – сложные
III- особо сложные
Характеристика гидрогеологических и инженерно-геологических условий эксплуатации карьера
Группа А – карьером вскрываются
Группа Б – карьером вскрыварыхлые песчаные и мягкие глиниются полускальные породы, не
стые породы
склонные к размоканию и пучению
Притоки подземных вод в карьер не Притоки подземных вод в карьпревышают 200 м3/час. Горные рабо- ер не превышают 500 м3/час.
ты могут выполняться с применени- Горные работы могут выполем средств открытого водоотлива; на няться с применением средств
стадии строительства карьера воз- открытого водоотлива или неводопонижающих
можно временное использование во- скольких
допонижающих скважин с суммар- скважин с суммарным дебитом
не более 500 м3/час.
ным дебитом не более 400 м3/час.
Притоки подземных вод в карьер от Притоки подземных вод в карь200 до 1000 м3/час. Горные работы ер от 500 до 3000 м3/час. Горвозможны при применении глубин- ные работы возможны при приного дренажа, для сокращения водо- менении глубинного дренажа,
притоков в карьер, ограничения для сокращения водопритоков в
фильтрационных деформаций пород карьер, или обеспечения устойили обеспечения устойчивости бор- чивости бортов
тов
Притоки подземных вод в карьер Притоки подземных вод в карьпревышают 1000 м3/час. Необходим ер превышают 3000 м3/час. Для
дренаж нескольких водоносных го- сокращения водопритоков в
ризонтов во вскрышной толще и в карьер требуется применение
подошве карьера с применением во- средств глубинного дренажа
допонижающих скважин или под- (водопонижающих скважин или
земного дренажного комплекса
подземного дренажного комплекса)
85
Таблица 6
Классификация месторождений, разрабатываемых подземным способом,
по дренируемости [3]
Категория месторождений по
условиям осушения карьерных полей
I - простые
II – сложные
III- особо сложные
Характеристика гидрогеологических и инженерно-геологических условий эксплуатации шахты
Группа А – карьером вскрывают- Группа Б – карьером вскрываются
ся рыхлые песчаные и мягкие
полускальные породы, не склонные
глинистые породы
к размоканию и пучению
Притоки подземных вод в карьер Притоки подземных вод шахту не
не превышают 100 м3/час. В поч- превышают 400 м3/час. Мощность
ве и кровле выработок залегают вынимаемого пласта в 60-80 раз
надежные водоупоры – проходка меньше мощности перекрывающей
подготовительных выработок не его слабопроницаемой толщи. Протребует предварительного сни- ходка подготовительных выработок
жения напоров для предотвра- и ведение очистных работ не требущения прорывов подземных вод ет применения специальных дренажных мероприятий
Притоки подземных вод в шахту Притоки подземных вод в шихту от
от 100 до 500 м3/час. Необходимо 400 до 2000 м3/час. Мощность толпредварительное снижение напо- щи слабопроницаемых пород в
ров при проходке подготови- кровле вынимаемого пласта превытельных выработок. При прове- шает его мощность в 40-60 раз. При
дении очистных работ требуются проведении очистных работ воздренажные мероприятия для можны прорывы подземных вод с
предотвращения прорывов вод и дебитами до 100 м3/час. При проведении подготовительных выработок
песков с дебитами до 20 м3/час
и очистных работ проводятся дренажные мероприятия
Притоки подземных вод в шахту Притоки подземных вод в шахту
превышают 500 м3/час. Требуют- превышают 2000 м3/час. Мощность
ся специальные дренажные ме- слабопроницаемой толщи в кровле
роприятия при проходке подго- вынимаемого пласта превышает
товительных выработок и веде- мощность последнего в 30-40 раз.
нии очистных работ для предот- Выше этой толщи расположен водвращения прорывов воды и песка ный объект. При проходке подготос возможными дебитами более 20 вительных выработок и проведении
м3/час. Для обоснования пара- очистных работ требуются специметров систем дренажа требуется альные дренажные мероприятия для
проведение
опытно- предотвращения прорывов с возэксплуатационного водопониже- можными дебитами более 100
ния
м3/час
Применение глубинного дренажа наиболее эффективно в хорошо проницаемых породах с коэффициентами фильтрации для грунтовых вод 3 м/сут,
для напорных – более 0,5 м/сут.
Поглощающие скважины служат для дренажа пластов сравнительно небольшой мощности и проницаемости. Эксплуатация скважин основана на пе86
репуске воды из дренируемого горизонта в нижележащий поглощающий.
Проводимость поглощающих пластов должна быть на порядок выше проводимости дренируемых пластов.
В зависимости от гидрогеологических условий массива горных пород
могут применяться иглофильтры, вакуумный и электроосмотический способы
осушения.
Иглофильтром называют дренажную скважину малого диаметра, которую разбуривают на небольшую глубину. Принцип действия иглофильтровых
установок заключается в создании и поддержании насосами вакуума в сети
погруженных в водоносную породу иглофильтров. Через них воды засасываются в коллектор и откачиваются насосами за пределы осушаемого участка.
В сложных гидрогеологических условиях используют эффект вакуумирования, создавая на наружных поверхностях водоприемных устройств устойчивый вакуум, используя водовоздушный эжектор, откачивающий воздух
из водовоздушной смеси, поступающий из иглофильтров. Вакуумными скважинами осушают мелкие и пылеватые пески с коэффициентом фильтрации
0,1 – 2 м/сут при открытом и подземном способе работ.
Для интенсификации осушения слабопроницаемых пород (К < 0,05
м/сут) применяют электроосмотический способ водопонижения – направленного движения воды в порах породы при пропускании через нее постоянного электрического тока. Этот метод используют в основном для закрепления слабых глинистых пород.
Подземный способ осушения карьерных полей применяется на месторождениях со сложными гидрогеологическими условиями. Подземное осушение проводится посредством заложения дренажного ствола и проведением
штреков, сквозных фильтров и водопонижающих колодцев. Штреки сечением 4 – 5 м2 располагаются в толще полезного ископаемого под основным водоносным горизонтом. Они служат для сбора воды, поступающей из забивных и сквозных фильтров, одновременно сами осушают расположенные рядом водоносные горизонты.
Для защиты карьеров от подземных вод, приуроченных к водообильным приповерхностным горизонтам, применяют противофильтрационные
завесы, которые представляют собой щель, заполненную слабопроницаемым
материалом (инфузионные) или систему скважин, расположенных на близком
расстоянии друг от друга, в которые также нагнетается слабопроницаемый
материал (инъекционные) или холодный воздух (криогенные).
При разработке месторождений полезных ископаемых подземным способом используют следующие меры борьбы с подземными водами:
1. Рациональное расположение горных выработок применительно к
конкретным гидрогеологическим условиям.
2. Непосредственный водоотлив из рудников. Подземные воды, поступающие в подземную выработку, отводятся через систему водосборных канав
87
и труб в центральный водосборник, из которого воды выдаются на поверхность насосными установками.
3. Изоляция горных выработок от поверхностных вод. Один из простых
методов уменьшения притоков поверхностных вод в горные выработки заключается в том, что под долинами водоемов оставляют охранные целики.
Кроме того, устраивают завесы методом замораживания на глубину до 200 м
и протяженностью до 3000 м.
4. Специальные методы проходки основных выработок. Они применяются в неустойчивых обводненных песчаных и трещиноватых породах. В зависимости от геологических и гидрогеологических условий месторождения
применяют забивные и опускные крепи, кессонный способ проходки, химический способ закрепления пород.
5. Предварительное осушение с помощью системы дренажных скважин.
6. Эксплуатационное осушение.
7. Проходка опережающих скважин, передовых штреков.
3.1.4. Осушение месторождений полезных ископаемых и защита
окружающей среды
Если на стадиях поисков и разведки изучение гидрогеологической обстановки необходимо для прогноза условий отработки месторождения, то на
стадии эксплуатации необходимость комплексных исследований диктуется
огромными масштабами и быстрыми темпами освоения месторождений полезных ископаемых. Например, освоение и разработка Удоканского месторождения меди, Горевского полиметаллического, Савинского магнетитового,
Ангаро-Катской и Ангаро-Илимской групп железорудных месторождений в
Восточной Сибири привело к изменению природной обстановки за пределами
этих объектов на сотни квадратных километров. Одной из важнейших задач
является предотвращение загрязнения и заражения окружающей среды, в том
числе и при горнорудных разработках.
В связи с этим на стадиях гидрогеологических исследований наряду с
определением величин водопритоков, оценки устойчивости пород и мерзлотных условий, необходимо изучать вопросы, связанные с возможным изменением окружающей среды, особенно ее ухудшением [3].
Подземные воды как один из основных составных элементов окружающей среды выполняют важнейшую роль в ее формировании.
Подземные воды находятся в динамическом равновесии с водами различных гидрогеологических структур. Освоение месторождений ниже уровня
подземных вод сопровождается предварительным или эксплуатационным
осушением. В процессе эксплуатации месторождений возникают глубокие
районные воронки депрессии, приводящие к значительному преобразованию
окружающей среды.
88
В процессе эксплуатации месторождений: дренаж вышележащих горизонтов; осушение территории в пределах депрессионных воронок; уменьшение влаги в почвах; дренирование водоносных горизонтов; изменение режима
подземных вод; нарушение связи между подземными и поверхностными водами.
С изменением гидрогеологических условий тесно связаны инженерногеологические процессы: вторичное уплотнение-консолидация осушенных
пород; суффозия; усиление карстовых процессов; усиление процессов выветривания в откосах карьеров.
Помимо этих процессов отмечаются некоторые геохимические преобразования в зоне дренажа месторождений и в почвенном покрове ниже участков сброса шахтных вод. Эти преобразования могут существенно отразиться
на качестве источников водоснабжения, расположенных вблизи сброса шахтных вод.
Изменение окислительно-восстановительных условий, усиление окисления сульфидов и образование кислых рудничных вод являются важнейшими процессами, изменяющими окружающую среду.
Сложность условий по защите окружающей среды определяется геолого-структурной обстановкой. Наиболее сложные условия по защите окружающей среды при горнорудных отработках характерны для месторождений
в карстово-тектоническом и карстовых бассейнах, зонах разломов и речных
долинах. В этих структурах проявляется наиболее тесная связь между поверхностными и подземными водами. Например, при отработке Миргалимсайского месторождения, где сформировалась огромных размеров воронка
депрессии, в десятках километров от месторождения прекратили функционировать родники трещинно-карстовых вод.
Основными мероприятиями по защите окружающей среды должны
быть: рациональное размещение отвалов; рекультивация поверхности Земли;
очистка и использование шахтных вод; извлечение полезных компонентов из
рудничных вод; изоляция поверхностных вод во избежание обводнения выработок; изоляция действующих водозаборов от шахтного водоотлива; осушительно-обводнительные работы для сохранения и развития растительного
покрова в пределах осушенной зоны; искусственное заводнение отработанных участков.
Тема 3.2. Гидрогеохимические методы поисков месторождений
полезных ископаемых
План:
3.2.1. Качество гидрохимической среды
3.2.2. Термодинамический метод анализа гидрохимических систем
3.2.3. Формы миграции химических элементов в водных растворах
3.2.4. Типы гидрохимических барьеров
89
3.2.5. Прогнозирование наличия месторождений полезных ископаемых
3.2.1. Качество гидрохимической среды
Гидрогеохимические поиски основаны на изучении закономерностей
распределения химических элементов в природных водах с целью выявления
месторождений полезных ископаемых.
Вода способна растворять содержащиеся в минералах и горных породах
компоненты полезных ископаемых и переносить их на значительные расстояния.
При гидрохимических поисках изучается в основном микрокомпонентный состав поверхностных и подземных вод. Микрокомпоненты Zn, Cu, Pb,
Mo, U и др. содержатся в природных водах в ничтожных количествах. Содержание большинства их характеризуется величинами n·100 мкг/л; повышение концентраций микрокомпонентов обычно происходит под влиянием
омываемых водой рудных тел. Содержание микрокомпонентов в подземных
водах дано в табл. 7.
Ионный состав гидрохимической среды формируется под влиянием физико-химических процессов: сорбции, гидратации, дегидратации, выщелачивании, растворении и гидролиза.
Особую значимость имеют сорбция и гидролиз, от которых в большинстве случаев зависят другие реакции взаимодействия вода ⇆ порода [3].
Сорбция – это поглощение вещества горными породами из природных
водных растворов. По степени сорбционной способности ионы располагаются
в виде следующих рядов:
Li+ < Na+ < K + < Rb + < Cs+;
Mg2+ < Ca2+ < Sr2+ < Ba2+;
Cl- < Br- < NO3- < I- < CNS-.
Гидролиз – это разложение минералов в водных растворах. Внешней
формой выражения реакции гидролиза является изменение pH водной суспензии минералов и горных пород.
Природные воды помимо молекул воды содержат ионы H + и OH -. Обладая определенным электростатическим зарядом, эти ионы активно взаимодействуют с поверхностными зонами частиц горной породы.
90
Таблица. 7
Содержание микрокомпонентов в подземных водах
Микрокомпонент
Al
Ba
Be
B
Br
V
W
Bi
Ga
Ge
Au
I
Cd
Co
Li
Mn
Cu
Mo
As
Ni
Nb
Sn
Hg
Rb
Pb
Ag
Sr
Sb
Tl
Ti
F
Cr
Cs
Zn
Zr
Кларк в литосфере, вес.
%
8,8
5·10-2
6·10-6
Форма нахождения в водах
Al2O3·nH2O (коллоид), Al3+
Ba2+
Be2+
H2BO3-, BO2-, H2B4O7-, H3BO3,
10-4
HBO2, комплексные ионы
1,6·10 -4
Br1,5·10 -2
Не установлено
1·10-4
Не установлено
-5
2·10
Не установлено
1,5·10 -3
Ga3+
-4
7·10
H2GeO3, H2GeO35·10-7
Коллоид (?)
-5
3·10
I5·10-5
Cd2+
-3
3·10
Co2+
6,5·10 -3
Li+
-2
9·10
Mn2+
1·10-2
Cu2+, комплексные ионы
-4
3·10
[MoO4]25·10-4
H2AsO4-, HAsO4-2, H2AsO3-3
8·10
Ni2+
-3
1·10
Не установлено
4·10-3
Sn2+, комплексные ионы
7·10-6
Не установлено
3,1·10 -2
Rb +
-3
1,6·10
Pb2+
1·10-5
Ag+
-2
4·10
Sr2+
4·10-5
Не установлено
3·10-4
Не установлено
-1
2+
6·10
TiO , TiO(OH) +, Ti(OH)4
-2
2,7·10
F2·10-2
Не установлено
7·10-4
Cs+
-3
5·10
Zn2+
2·10-2
Zr4+, комплексные ионы
Примечание: нет н/д – нет достаточных данных
Содержание в воде, мкг/л
широко расмаксимальпространенное
ное
1
2
n·10 - n·10
n·10 5
n·101
n·10 2
0
n·10
n·10 1
n·102
n·10 6
n·102
n·100
Нет д/д
n·10-1
n·100
Нет д/д
Нет д/д
n·100 - n·10 1
Нет д/д
Нет д/д
n·100 - n·10 1
n·102 - n·10 3
n·100 - n·10 2
n·10 -1 - n·100
n·100
n·100
Нет д/д
n·100
Нет д/д
Нет д/д
n·100
n·100
n·102 - n·10 3
Нет д/д
Нет д/д
n·100 - n·10 1
n·102 - n·10 3
n·100 - n·10 2
Нет д/д
n·101 - n·10 3
n·100
n·10 6
n·10 1
Нет д/д
Нет д/д
Нет д/д
Нет д/д
Нет д/д
n·10 5
Нет д/д
Нет д/д
n·10 5
n·10 5
n·10 6
n·10 5
n·10 5
n·10 3
Нет д/д
n·10 1
Нет д/д
Нет д/д
n·10 3
n·10 1
n·10 5
Нет д/д
Нет д/д
n·10 3
n·103 - n·105
n·10 3
Нет д/д
n·10 6
n·10 2
К числу соединений, способных подвергаться гидролизу, относятся силикаты, алюмосиликаты, некоторые соли, сложные эфиры (жиры, углеводы,
91
белки и др.). Гидролиз протекает в водных растворах, а также при взаимодействии воды и водяных паров на твердые, жидкие или газообразные вещества.
3.2.2. Термодинамический метод анализа гидрохимических систем
Формирование ионно-солевого состава подземных вод находится в тесной связи с термодинамическими условиями, которые характеризуются увеличением температуры и давления с глубиной.
С возрастанием температуры увеличивается кинетическая энергия как
ионов, находящихся на поверхности твердого тела, так и самих молекул воды,
поэтому время нахождения молекул воды в положении равновесия с поверхностью породы уменьшается и приближается к таковому в свободной воде. В
связи с этим снижается электрохимическое взаимодействие между водой и
тонкодисперсными породами, и при определенной температуре будет преобладать только химическое воздействие. Такой температурой считается 250 –
300 0С для дисперсных пород и около 1000С – для грубодисперсных.
Температура определяет подвижность и агрегатное состояние вещества,
скорость химических реакций, скорость и последовательность кристаллизации из расплавов и растворов; дифференциацию элементов по их критическим температурам; внутреннее равновесие воды и т.д.
Температуры геохимических процессов являются важным фактором генетических классификаций в минералогии, учении о полезных ископаемых и
т.д. Для определения этих температур применяются различные геологические
и минералогические методы. Из геологических методов интерес представляет
термобарогеохимический, в результате применения которого устанавливаются относительные температуры пропаривания пород, на фоне которых выявляются ореолы локальных гидротермальных пропариваний.
В основе минералогического метода используются температуры минералов, которые занимают строго определенное место в геохимических процессах, на измерении минимальных температур конкретных минералов основан метод гомогенизации. От температуры и давления зависит состояние
внутренних равновесий воды и поведение химических элементов в водных
растворах. Сдвиг равновесия от температуры в ту или иную сторону определяется тепловым эффектом реакции. Понижение температуры способствует
реакциям с поглощением воды, т.е. приводит к образованию минералов, содержащих большое количество воды, увеличивает активность CO 2 и ангидридов более сильных кислот, что обуславливает разрушение простых и двойных
силикатов, содержащих сильные основания, с их выщелачиванием и образованием карбонатов и минералов других классов.
Давление и температура тесно взаимосвязаны. Оба параметра входят в
многие уравнения химической термодинамики, поэтому их изменение определяет сдвиг равновесий в геохимических системах в ту или иную сторону. С
92
их изменением меняются константы равновесия, коэффициенты активности,
ионная сила растворов и др.
Константа равновесия реакции растворения (произведение растворимости) зависит от свободной энергии реакции (ΔG0 реакц.).
В соответствии с законом действующих масс константа равновесия
имеет вид
КВ ∙
АВ
Атв
=
КВ
∙
АВ
= ,
где М – концентрация ионов в водных растворах (КАТВ=1); L - константа равновесия реакции растворения, называемая произведением растворимости.
Это уравнение применимо лишь к идеальным растворам. Для перехода
к реальным растворам используются термодинамические концентрации или
активности (а) данного вещества в растворе, которые учитывают взаимодействие ионов в растворе между собой. Для перехода к ним от фактических
аналитических концентраций вводятся коэффициенты активности.
Активность представляет ту эффективную концентрацию иона, которая равноценна данной его концентрации при отсутствии электрических полей, создаваемых в растворе различными ионами, а коэффициент активности (f) – степень отклонения иона от идеального поведения его в бесконечно
разбавленном растворе. При подсчете различных констант, где требуется
учитывать концентрации ионов, последние берутся в виде произведения молекулярной концентрации иона на коэффициент активности данного иона.
Суммарный эффект влияния всех ионов, находящихся в растворе на активность какого-либо иона может быть охарактеризована ионной силой раствора μ. Для вычисления этой величины нужно умножить молекулярную
концентрацию каждого иона, содержащегося в данном растворе, на квадрат
его валентности. Все эти произведения сложить и разделить пополам:
⋯
μ=
,
где С1, C2,…Cn – молекулярные концентрации ионов; Z1, Z2,…Zn – соответствующие валентности ионов.
При выражении концентрации ионов в миллиграмм-эквивалентной
форме используют формулу
μ=
∑
∑
∑
· 10
,
где ∑r1; ∑ r2; ∑ r3 – суммы мг-экв одновалентных, двухвалентных и трехвалентных ионов, содержащихся в 1 л воды.
93
На миграцию химических элементов в растворах большое влияние оказывает степень диссоциации и константы электролитов.
Степень диссоциации электролита (α) – это отношение числа диссоциированных молекул к общему числу растворенных молекул. Этот параметр
характеризует слабые электролиты, для характеристики сильных электролитов используют коэффициент активности.
Константа диссоциации (ионизации) электролита – это отношение
произведения молекулярных концентраций ионов к молекулярной концентрации молекул электролита, оставшихся недиссоциированными.
3.2.3. Формы миграции химических элементов в водных растворах
При гидрогеохимических исследованиях важно установить, в каком виде находятся элементы в растворе. От этого зависит выбор последовательности анализа, изучение особенностей миграции элементов перераспределение
и накопление, а также возможность использования воды для различных практических целей, в том числе поисков месторождений полезных ископаемых.
Различают три основные формы миграции вещества: истиннорастворенную, коллоидную и взвешенную.
Ионно-растворенная форма миграции присуща неэлектролитам и электролитам. Неэлектролиты состоят из незаряженных частиц.
Истинно-растворенная форма – это молекулярные растворы [13]. В
молекулярной форме мигрируют главным образом органические соединения
и многие растворенные газы. Движение частиц вызывается диффузией, которая продолжается до выравнивания концентрации вещества во всех слоях
раствора.
В растворах электролитов вещество находится в виде ионов. Электролиты делятся на два класса: неассоциированные (диссоциированные), которые находятся в растворе в виде простых анионов и катионов и ассоциированные или сильные электролиты типа NaCl, KClи др.
В ассоциированных электролитах соединения могут существовать недиссоциированных молекул и ионов, а также в виде ионных пар. Ионными
парами называют ассоциации противоположно заряженных ионов, их количество в растворе тесно связано с концентрацией раствора.
Способность электролитов образовывать простые и сложные ионы зависит от ряда факторов, в том числе и от валентности иона и его размера (радиуса). М.В. Гольдшмидт, опираясь на соотношение величин ионных потенциалов, выделил три группы элементов:
1. Cs, Rb, K, Na, Li. Sr, Ca, Mg, Co, Cu, Mn, Zn, Ni, Fe и др. Элементы
первой группы мигрируют виде простых ионов в любой среде. Начиная с Co,
только в слабокислых и кислых средах;
94
2. V, Se, Cr, Zr, Al, Be, Ti и др. Эти элементы способны гидролизоваться в водных растворах при pH > 7 с образованием малорастворимых гидратов
окисей;
3. Mn, Si, B, P, S, C, N и др. Эти элементы обладают выраженной способностью образовывать сложные анионы с кислородом: SO42-, CO32+ и др.
Коллоидная форма миграции характерна для природных вод зоны гипергенеза.
Коллоиды – это такое состояние вещества в растворе, при котором частицы отличаются крайне медленной диффузией. По размерам коллоиды занимают промежуточное положение между молекулами, ионами, с одной стороны, и частицами взвеси – с другой. В отличие от первых коллоиды характеризуются существованием поверхности раздела между частицами и водной
средой. Основная особенность коллоидных водных растворов – термодинамическая неустойчивость.
Коллоиды могут коагулировать, коагуляцию могут вызвать электролиты, неэлектролиты, изменение температуры и состава водной среды, свет и
др.
Все минеральные и особенно органические соединения могут образовывать при определенных условиях коллоидные растворы. Наиболее типично
коллоидное состояние для соединений следующих элементов: Si, Al, Fe, Mn,
P, As, S, C, реже Zn, Cu, Ni, Pb, Cr, Ti, Cr, Zr, Cd.
Роль коллоидного состояния в миграции химических элементов велика,
т.к. коллоидные соединения многих элементов имеют повышенную растворимость. Кроме того, сорбция и обменная адсорбция, присущие коллоидам,
приводят к миграции химических элементов в сорбированном виде.
Миграция вещества во взвешенном состоянии характерна преимущественно для поверхностных вод. Взвеси – это грубодисперсные гетерогенные
системы, в которых величина частиц превышает 1000Å. Взвеси действуют на
оптические и акустические свойства воды, ее цвет и прозрачность.
Для оценки интенсивности водной миграции Б.Б. Полыновым предложен коэффициент водной миграции – отношение содержания химического
элемента в сухом остатке воды к его содержанию в породах, с которыми вода
находится в контакте:
=
∙
,
где mx – содержание в воде элемента x (г/л); a – минерализация воды (г/л); Cx
– содержание элемента x в водовмещающих породах (%).
Чем выше коэффициент водной миграции, тем интенсивнее водная миграция химического элемента в растворе.
95
Использование Кx позволяет сравнивать интенсивность водной миграции элементов с их содержанием в породе. Ориентировочные значения Кx для
некоторых элементов даны в табл. 8.
Таблица 8
Интенсивность миграции химических элементов в подземных
водах зоны гипергенеза (а = 0,43 г/л)
Элемент
Cl
Br
I
Mg
Ca
Na
F
Zn
Sr
Mo
K
U
P
Mn
Ni
Cu
Fe
Al
Ti
Cr
V
Zr
Th
Содержание элементов
в подземных водах зоны гипер- в литосфере (по А.П.
генеза (по С.Л. Шварцеву), г/л
Виноградову), %
4,7·10 -2
1,7·10-2
-4
1,83·10
2,1·10-4
1,61·10 -5
4·10-5
-2
1,86·10
1,87
-2
4,3·10
2,96
4,55·10 -2
2,5
4,5·10 -4
6,6·10-2
3,4·10 -5
8,3·10-3
-4
1,85·10
3,4·10-2
-6
2,06·10
1,1·10-4
4,49·10 -3
2,5
3,4·10 -6
2,5·10-4
5,75·10 -5
9,3·10-2
4,94·10 -5
0,1
3,31·10 -6
5,8·10-3
5,58·10 -6
4,7·10-3
5,47·10 -4
4,65
-4
2,79·10
8,05
1,07·10 -5
0,45
2,9·10 -6
8,3·10-3
2,06·10 -6
9·10-3
1,3·10 -6
1,7·10-2
-7
4,2·10
1,3·10-3
Коэффициент водной миграции Кx
644
203
99
2,3
3,3
4,2
1,6
0,94
1,2
4,4
0,43
3,1
0,14
0,1
0,13
0,27
0,02
0,008
0,005
0,08
0,05
0,017
0,07
Как видно из таблицы, несмотря на резко различные содержания в водах Cl, Br и I, они мигрируют с близкой интенсивностью. То же относится к
Ca, Mg, Na, Zn, Sr и Mo. Таким образом, коэффициент водной миграции позволяет сравнивать миграции распространенных и редких элементов.
3.2.4. Типы гидрохимических барьеров
Для понимания процессов миграции химических элементов важным является установление геохимических барьеров. Геохимический барьер по А.И.
Перельману – это участок земной коры, в пределах которого на коротком расстоянии резко изменяются условия миграции, что приводит к концентрации
96
химических элементов. Перельман выделил три основных типа барьеров: механические, биологические и физико-химические.
Основные гидрохимические барьеры относятся к физико-химическим:
1. Окислительный барьер выражается в смене восстановительных условий окислительными. При этом снижается миграционная активность ряда
элементов с переменной валентностью: Fe, Mn и S.
2. Восстановительный барьер возникает при смене окислительных условий восстановительными. Кислородсодержащие воды встречают на своем
пути сероводород, вследствие чего в осадок выпадают плохо растворимые
сульфиды металлов: Fe, V, Zn, Ni, Co, Cu, Pb, U, As, Cd, Hg, Ag, Se.
3. Сульфатный и карбонатный барьеры образуются в местах встречи
сульфатных и карбонатных вод с водами, содержащими значительное количество Ba, Sr, Ca. При этом происходят обменные реакции, в ходе которых
осаждаются сульфаты или карбонаты.
4. Щелочной барьер возникает на участках резкой смены кислых вод
нейтральными, Такая смена особенно характерна для зоны окисления сульфидных руд: pH кислых вод этих зон при удалении от рудной залежи повышается в результате ряд металлов (Fe, V, Zn, Ni, Co, Cu, Pb, Cd, Sr, Ca) выпадают из раствора в виде вторичных минералов.
5. Кислотный барьер не типичен для зоны гипергенеза, поскольку в кислой среде миграционная способность большинства элементов возрастает.
Этот барьер имеет значение только для кремнезема, который из кислых растворов осаждается, что приводит к окремнению пород.
6. Испарительный барьер формируется на участках сильного испарения
природных вод, вследствие чего из них осаждаются легко- и трудно растворимые соединения в зависимости от концентрации раствора и величины произведения растворимости того или иного вещества.
7. Адсорбционный барьер возникает на контакте пород, богатых адсорбентами, с природными водами. Адсорбентами, имеющими отрицательный
заряд, являются глины, торф, угли и др., положительный заряд несут бокситы,
бурые железняки.
Из характеристики гидрохимических барьеров следует, что они играют
большую роль для понимания условий миграции того или иного элемента в
водной среде, поскольку дают возможность судить о концентрации элемента
на барьере и о последующем его выпадении из раствора.
3.2.5. Прогнозирование наличия месторождений полезных
ископаемых
прогнозирование наличия месторождений полезных ископаемых базируется на выделении гидрохимических ореолов рассеяния. Локальные участки с аномальными концентрациями элементов в подземных и поверхностных
водах называются гидрогеохимические аномалии. Они выделяются по содер97
жанию микрокомпонентов в воде, которые являются элементамииндикаторами. Их содержание обычно не превышают 10 мкг/л.
Несмотря на разнообразие горных пород и почв, во взаимодействующих с ними водами содержание большинства микрокомпонентов колеблется
в относительно узких пределах. Однако под воздействием ряда факторов поступление микрокомпонентов в воды может возрасти. Одним из таких факторов является связь типа подземных вод с повышенным растворением микрокомпонентов. В кислых водах чаще повышены концентрации Cu, Zn, Ni, Co,
Cd, Pb, U, As, Mn, Sn, Au, в сильнощелочных – B, F, W, Mo, V, Nb, La, Ge. В
водах с повышенным содержанием CO2отмечается повышение Be, Ge, Rb, Cs,
Zr, Hg.
Г.А. Голева установила горизонтальные ряды зональности элементовиндикаторов сульфидных месторождений в гидрогеохимических ореолах (от
рудного тела):
1. В грунтовых и поверхностных водах (pH = 5,5–7,5; Eh от 0,2 до 0,4 В)
– W–Be–Co–Bi–Au–Cd–Pb–As1–Sn–Hg–Ni–Cu–As2–Mo–Ag–Zn;
2.В глубинных термальных водах зоны катагенеза (pH = 5,5 – 6,5; Eh < 0
В) – Be–Co–Bi–Cu1–Au–Ni–Sn–Mo–Cu2–Ag–Mo2–W–Zn–Pb–Cu–Mn–Sb (As, F,
B, Hg)–Li (Rb, Cs).
Вертикальная зональность гидрохимических ореолов проявляется хуже.
Однако известно, что по мере приближения к рудному телу в ореоле увеличивается число элементов-индикаторов, образующих аномалии.
Еще одной особенностью гидрогеохимических ореолов рассеяния, которая может быть использована при поисках, является совместная концентрация элементов с повышенным содержанием их в водах. Она может быть оценена при корреляционном анализе. По данным Г.А. Голевой, на золоторудных месторождениях золото в водах связано с As, H2SiO 4, HCO3, SO 4. На медно-колчеданных месторождениях тесная положительная связь устанавливается между Cu, Zn, Fe, Pb; на полиметаллических – между Zn, Pb, Cu, Ni, а также между Mo и общей минерализацией. На молибденовых месторождениях с
прямым элементом-индикатором устойчивы корреляционные связи у Cu, F,
Zn, SO 4, Cl, а на вольфрамовых месторождениях – у As, Be, F, SO 4, Cl, HCO3.
Важным показателем является и общая минерализация вод, которая в
отдельных случаях связана положительной корреляционной зависимостью с
содержанием в воде рудных элементов.
Контрастность гидрогеохимических аномалий во многом зависит от
рельефа и климата района. При прочих равных условиях контрастные аномалии образуются в районах с умеренной влажностью при сравнительно мягких
формах рельефа.
Выдержанность аномалий зависит от конкретных геохимических условий. Одной из причин затухания аномалий является разбавление вод с аномальным содержанием микрокомпонентов водой, поступающей из неминерализованных областей. Уменьшение содержания элементов-индикаторов в во98
де часто связано с осаждением их на геохимических барьерах. Ассоциации
элементов-индикаторов во многом зависят от pH среды, смешения растворов,
от присутствия органических соединений.
Для количественной характеристики определяется градиент барьера:
=
или
=
,
Где m1 – числовое выражение величины показателя, определяющего
изменение геохимической обстановки на барьере, установленное в миграционном потоке перед барьером (им могут быть pH, t, Eh, количество растворенного в воде кислорода или сероводорода и т.п.); m2 – числовое выражение
величины этого же показателя в миграционном потоке сразу же после барьера; L – мощность барьера.
Применение гидрохимических методов поисков возможно и для выявления месторождений нефти и газа. К числу элементов-индикаторов следует
отнести углеводородные газы и бензол.
Применение гидрогеохимических методов наиболее эффективно на месторождениях, находящихся в следующих условиях:
1. на участках, перекрытых мощным чехлом приносных отложений, когда неэффективен даже биогеохимический метод поисков;
2. в резкорасчлененных высокогорных районах, где из-за специфических условий дренажа подземных вод метод становится не только более глубинным, но и возможна более точная интерпретация гидрогеохимических
аномалии;
3. в платформенных условиях при вероятном залегании тел полезных
ископаемых ниже местных базисов эрозии.
В зависимости от поставленной задачи гидрогеохимические исследования можно разделить на региональные (1:200000 – 1:1000000); собственно
поисковые (1:50000 – 1:250000) и детальные (1:10000 и крупнее).
На стадии региональных исследований выясняется общая геохимическая обстановка и гидрогеохимическая характеристика района и выделяются
наиболее перспективные площади для дальнейших исследований. В пробах
определяется содержание максимально возможного числа индикаторов полезных ископаемых.
Собственно поисковые исследования проводятся на перспективных
площадях для выявления ореолов и выделения участков для постановки детальных работ.
Детальные исследования проводятся для оконтуривания месторождений, а в некоторых случаях – даже отдельных тел полезных ископаемых.
Опытные работы проводятся в новых районах или при поисках новых
для района типов месторождений. В результате опытных работ изучаются
морфологические и геохимические особенности гидрохимических ореолов
99
известных месторождений, выясняется связь гидрохимических и литохимических ореолов; определяются индикаторы, образующие аномалии; определяются фоновые и аномальные содержания индикаторов в водоносных комплексах района работ, определяется режим водных ореолов.
100
Модуль № 2 «Инженерная геология»
Раздел 4. Инженерная петрология
Тема 4.1. Основы грунтоведения
План:
4.1.1. Предмет и содержание инженерной геологии
4.1.2. Региональная инженерная геология
4.1.3. Физико-механические свойства горных пород и методы их искусственного улучшения
4.1.4. Горно-геологические массивы
4.1.1. Предмет и содержание инженерной геологии
Возникновение инженерной геологии и ее развитие были связаны со
строительством различных объектов. Инженерная геология является одной
из древнейших наук. Человек всегда выбирал благоприятные условия для
строительства, учитывая рельеф местности, геологическое строение и другие
естественные условия.
Началом научных исследований и обобщения накопленного материала
инженерно-геологического характера считаются первые десятилетия XIX века. Оно было связано с развитием промышленного капитализма в Европе и
России. С началом 20-х годов XIX века к решению инженерно-геологических
задач стали привлекаться геологи, и условия строительства уже определялись
с позиций геологической среды [2].
В начале 20-х годов XX века инженерная геология включала два направления: грунтоведение и механику грунтов. Большое значение для развития грунтоведения имели работы П.А. Земятчинского, М.М. Филатова, В.В.
Охотина, В.А. приклонского, Б.М. Гуменского, И.В. Попова и др.
Механика грунтов возникла на стыке физико-механических, строительных и геологических наук. Она рассматривает общие закономерности, которые вытекают из применения к горным породам законов теоретической и
строительной механики.
В советское время большой вклад в развитие инженерной геологии как
науки внесли Ф.П. Саваренский, Г.Н. Каменский, Н.Ф. Погребова, Н.Н. Маслова, Е.В. Милановский и др.
Ф.П. Саваренский определил инженерную геологию как отрасль геологии, он указывал, что инженерная геология «должна изучать геологические
процессы и физико-технические свойства горных пород, определяющие условия возведения сооружений и направление инженерно-геологических мероприятий по обеспечению устойчивости земляных масс».
101
Инженерно-геологическая оценка территории, выбранной для строительства, определяется, прежде всего, геологическим строением. Инженерная
геология занимается изучением условий строительства, выбором для строительства лучших участков, дает рекомендации по обеспечению устойчивости
сооружений и нормальных условий их эксплуатации, а также изучением и
прогнозом тех явлений, которые могут возникнуть под воздействием этих сооружений.
Таким образом, инженерная геология – это наука о геологических условиях строительства различных сооружений и хозяйственного использования территорий.
Инженерная геология включает следующие разделы:
1. Инженерная петрология, которая изучает состав, строение и физикомеханические свойства горных пород. Основная задача инженерной петрологии – изучение природы свойств горных пород;
2. Инженерная геодинамика, которая изучает процессы как естественные, так и возникшие в результате строительства;
3. Специальная инженерная геология, которая изучает условия строительства промышленных, гражданских, подземных и других сооружений, методику исследований и способы улучшения свойств пород;
4. Региональная инженерная геология, которая изучает геологические
условия отдельных областей и постановки специальных исследований.
Материалы инженерно-геологических исследований обычно служат
обоснованием проекта.
Инженерно-геологические исследования должны быть комплексными.
Количественная оценка каждого фактора и явления должны позволять наметить мероприятия, обеспечивающие устойчивость проектируемых сооружений.
Теоретические задачи инженерно-геологические исследований:
1. Изучение горных пород как грунтов, которые могут служить естественным основанием и средой для строительства;
2. Изучение геологических процессов и явлений, влияющих на инженерную оценку территории;
3. Изучение территории с целью выявления закономерностей изменения
инженерно-геологических условий для рационального планирования размещения крупного строительства;
4. Изучение инженерно-геологических условий месторождений полезных ископаемых с целью обоснования проектов строительства горных предприятий;
5. Разработка новых и совершенствование существующих полевых методов инженерно-геологических исследований;
6. Изучение эффективности существующих и разработка новых инженерных мероприятий по обеспечению устойчивости сооружений.
102
Для решения названных задач в инженерной геологии используются
достижения математики, механики, физики, химии, геологии и гидрогеологии. Для оценки инженерно-геологических условий используются различные
методы: геологические; аналогии (геологического подобия); моделирования;
расчетно-теоретические.
4.1.2. Региональная инженерная геология
Как уже отмечалось, региональная инженерная геология изучает закономерности формирования и распространения по территории инженерногеологических условий, которые формируются не только под влиянием естественных процессов, но и в результате инженерной и хозяйственной деятельности человека [12].
Задачей региональной инженерной геологии является выделение территорий с близкой геологического историей развития и, следовательно, с сопоставимыми инженерно-геологическими условиями. Основными вопросами,
подлежащими изучению, являются геологические структуры, состав пород,
тектоника, строение рельефа, климат, гидрогеологические условия, геологические и инженерно-геологические процессы и явления.
Для изучения этих условий проводятся комплексные обзорные и мелкомасштабные съемки 1:100 000 – 1:500 000 масштабов. Глубинность инженерно-геологической съемки определяется ее целью и основными задачами.
Следует различать глубинность изучения инженерно-геологических условий
и глубинность горно-буровых работ. Общая глубинность должна быть достаточной для того, чтобы понять геологическую историю изучаемой территории и выявить связи компонентов приповерхностных инженерногеологических условий с глубоко залегающими породами, подземными водами, многолетнемерзлыми толщами, эндогенными и некоторыми экзогенными
геологическими процессами. Для этой цели широко используются материалы
предшествующих геологических и гидрогеологических съемок, а также данные геофизических исследований.
Глубинность горно-буровых работ в каждом конкретном районе определяется отдельно в зависимости от изученности территории и взаимосвязей
отдельных компонентов инженерно-геологических условий. Общее для всех
районов требование – изучение такой толщи горных пород, которая может
быть вовлечена в сферу воздействия инженерных сооружений массового
строительства. В большинстве случаев глубина картировочных выработок не
должна превышать 10–20 м.
Государственное инженерно-геологическое картирование производится
обычно в масштабе 1:200 000. Однако в районах с простыми инженерногеологическими условиями этот масштаб может быть уменьшен до 1:500 000,
в районах со сложными условиями – увеличен до 1:100 000.
103
Сложность инженерно-геологических условий определяется следующим образом:
- Простые однородные геоморфологические условия – в геологическом строении верхней 10-метровой толщи принимают участие не более трех
слоев горных пород, различных по номенклатуре, возрасту, генезису с горизонтальным или пологим залеганием. Уровни грунтовых вод выдержаны по
площади. Горные породы находятся в талом состоянии. Современные геологические процессы не развиты;
- средней сложности неоднородные геоморфологические условия – в
геологическом строении верхней 10-метровой толщи принимают участие более трех слоев горных пород, часто залегающих наклонно или выклинивающихся. В слоях одного и того же номенклатурного виды возможны включения прослоев и линз других видов. Положение уровня грунтовых вод испытывает значительные колебания по площади. Температура многолетнемерзлых пород ниже – 3 0С. Современные геологические процессы развиты незначительно на ограниченных участках. Деформации существующих сооружений редки и незначительны;
- сложные условия отличаются теми же признаками, но, кроме того,
многолетнемерзлые горные породы имеют температуру до – 3 0С. Современные геологические процессы, имеющие существенное инженерное значение,
развиты широко, а деформации существующих сооружений часты и значительны.
Минимальные размеры объектов, изображаемых на картах масштаба
1:200 000 – 0,36 км2; 1:100 000 – 0,1 км2 и 1:500 000 – 2,25 км2. Объекты, особенно важные в инженерно-геологическом отношении, картируются независимо от их размеров, и при малых величинах показываются внемасштабным
знаком. Точность проведения границ на картах ± 1 мм. Государственная инженерно-геологическая карта масштаба 1:200 000 (1:100 000–1:500 000) составляется в полистной разграфке.
По своему назначению эти карты предназначены для использования организациями, планирующими и проектирующими строительство объектов
народного хозяйства. Все эти организации руководствуются Строительными
нормами и правилами (СНиП) [15].
Для масштабов 1:100 000 – 1:500 000 эти сведения могут быть менее детальными, чем те, которые используются непосредственно при проектировании отдельных сооружений, но преемственность в содержании среднемасштабных и крупномасштабных карт должна быть соблюдена. Эта информация включает сведения о геологическом строении, петрографическом составе,
состоянии и физико-механических свойствах горных пород, о гидрогеологических условиях, о неблагоприятных современных геологических процессах и
явлениях.
Горные породы являются основными объектами изучения инженерной
геологии. В конечном счете, исследования горных пород направлены на изу104
чение их прочности, деформируемости и водопроницаемости. Эти свойства
пород определяются условиями их залегания, составом, структурой и текстурой. При изучении горных пород соблюдается определенная последовательность:
1. Изучение разреза в деталях в пределах активной зоны под сооружением;
2. Выделение разностей пород, отличающихся по петрографическим
признакам и строительным качествам;
3. Изучение физического состояния и физико-механических свойств
пород;
4. Изучение пород в естественном залегании при естественном сложении и влажности;
5. Учет изменения состояния под влиянием сооружений;
6. Широкое применение специальных лабораторных методов.
Грунт – это условное прикладное наименование любой горной породы,
участвующей в строительстве. Все грунты систематизируются по определенным признакам.
В инженерной геологии классификация является методом познания.
Классификации горных пород необходимы:
1. для разделения всех горных пород на группы, различающиеся по
происхождению, петрографическим признакам и строительным качествам;
2. для построения разрезов карт;
3. для определения состава, объема, методики и направления инженерно-геологического изучения горных пород;
4. для выбора метода изучения свойств горных пород.
Классификации бывают специальные и общие. Общие предназначены
для различных отраслей строительства, разработаны с учетом нескольких или
многих признаков горных пород. Специальные применяются для конкретного
вида строительства. Породы систематизируются по признакам, первостепенным для каждого вида строительства. Из специальных классификаций наиболее распространены следующие:
1. по устойчивости пород в бортах карьера;
2. по несущим способностям;
3. по трудности разработки;
4. по коэффициенту М.М. Протодьяконова.
Инженерно-геологическая классификация должна основываться на учете генетических и петрографических особенностей пород и их физикомеханических свойств. По этим признакам Ф.П. Саваренский и в последующем В.Д. Ломтадзе предложили все горные породы разделить на 5 групп по
физико-механическим свойствам:
1. Твердые породы –скальные (магматические, метаморфические и сцементированные осадочные породы);
105
2. Относительно твердые – полускальные (те же генетические разности
пород, но выветрелые, трещиноватые, имеющие пониженные показатели физико-механических свойств);
3. Рыхлые несвязные породы (пески, гравий, галечники);
4. Мягкие связные породы (глины, суглинки, супеси, лессовые породы);
5. Породы особого состава, состояния и свойств (мерзлые породы, пески-плывуны, торфы, почвы и т.д.).
4.1.3. Физико-механические свойства горных пород и методы их
искусственного улучшения
Физико-механическими свойствами называются такие, которые определяют их физическое состояние, отношение к воде и закономерности изменения прочности и деформируемости [4].
Физические свойства характеризуют физическое состояние горных пород в условиях естественного залегания в откосах или в отвалах.
Водные свойства проявляются в отношении горных пород к воде, т. е. в
способности изменять состояние, прочность и устойчивость при взаимодействии с водой.
Механические свойства определяют поведение горных пород при воздействии на них внешних усилий – нагрузки.
Физико-механические свойства пород отражают те изменения, которые
горные породы претерпели в истории их геологического развития под влиянием процессов выветривания, гравитационного и геохимического уплотнения, тектонических сил и т.д.
Физико-механические свойства определяются, прежде всего, генетическим типом пород и особенностями их состава, поэтому инженерногеологическая оценка выделенных в классе групп пород отличается по ряду
показателей.
При исследовании скальных и полускальныхпород изучаются генетические типы и их петрографическая характеристика, вещественный состав,
структура и текстура, условия залегания, напряженное состояние, трещиноватость и выветрелость.
Качественное отличие каждого типа тесно связано с условиями образования и существованием в земной коре. Формирование магматических и метаморфических пород происходит в особых термодинамических условиях,
создающих большое внутреннее напряжение сжатия при постоянном влиянии
внешних тектонических движений. Внутренние напряжения сохраняются в
горных породах в течение нескольких геологических эпох.
Осадочные породы претерпевают сложный процесс от образования исходного материала, его переноса, накопления и преобразования в результате
диагенеза. Прочность и устойчивость осадочных сцементированных горных
пород зависит от состава слагающих их компонентов, а также от состава це106
мента, типа цементации структурных и текстурных особенностей, количества
и состава примесей и включений, степени выветрелости и трещиноватости.
При изучении физико-механических свойств скальных и полускальных
пород необходимо помнить, что в объеме любой породы выделяется объем
минеральной части – ее скелет V1 и объем пор, пустот, каверн, трещин V2,
частично или полностью заполненных водой или воздухом (рис. 22).
Рис. 22. Схематическое изображение соотношения объема минеральной части (скелета m) и объема пор n в единице объема горных пород:
1 – скальных; 2 – полускальных; 3 – рыхлых несвязных; 4 – мягких связных; 5 – торфа
Общий объем пустот в породе определяет ее скважность, а часть пустот, имеющих капиллярные (диаметр пор < 1 мм, ширина трещин < 0,25 мм)
или субкапиллярные размеры (диаметр пор < 0,0002 мм, ширина трещин <
0,0001 мм) выражают их пористость.
Скальные и полускальные породы. Физические свойства скальных и
полускальных пород характеризуются удельным весом, объемным весом, пористостью, а для полускальных пород и влажностью.
Удельным весом горной породы называют вес единицы объема ее твердой части – скелета. Численно удельный вес γу равен отношению веса твердой части породы g 1 к ее объему V1:
у
=
.
Единицей измерения удельного веса служит грамм-сила на кубический
сантиметр Г/см3. Удельный вес горной породы с допустимой для практических целей точностью численно равен плотности ее скелета. Плотность горной породы есть ее масса в единице объема г/см3.
Объемный вес породы (γ) – это вес единицы объема горной породы естественного сложения и влажности, численно равен отношению веса породы
(g1+g2) к ее объему (V1+V2):
=
107
.
Кроме удельного и объемного веса иногда определяют объемный вес
скелета породы, под которым понимают вес единицы объема твердой части
(скелета) породы естественного сложения:
с
=
, г/см3.
Пористость и влажность характеризовались в главе 1.2.1.
Водные свойства скальных и полускальных пород характеризуют их
поведение при взаимодействии с водой и оцениваются водоустойчивостью,
влагоемкостью и водопроницаемостью. Два последних свойства были охарактеризованы в главе 1.2.1, остановимся подробнее на водоустойчивости.
Водоустойчивость скальных и полускальных пород характеризуется
размягчаемостью.
Размягчаемость оценивают коэффициентом размягчаемости Kр, численно равным отношению временного сопротивления сжатию образца породы
после насыщения водой Rсж.в к временному сопротивлению сжатию до насыщения водой Rсж.с:
р
=
сж.в
сж.с
.
Коэффициент размягчаемости выражают в долях единицы и вычисляют
с точностью до 0,1. Для скальных пород он обычно меньше 0,9, у полускальных – 0,5.
Механические свойства, как указывалось выше, характеризуют поведение горных пород под нагрузкой и проявляются в сопротивлении разрушению (прочность) и деформации.
Свойство горных пород сопротивляться разрушению и образованию
больших остаточных деформаций под действием нагрузки называется прочностью.
Свойство горных пород изменять под нагрузкой форму сложения и
объем без изменения массы называется деформацией.
Прочность скальных и полускальных пород принято выражать и оценивать временным сопротивлением сжатию, растяжению, сдвигу. Отношение
нагрузки Pпр к первоначальной площади образца F0 характеризует предел
прочности:
пр
=
пр
, кг/см2.
При напряжениях, не превышающих Rпр деформации упругие.
Прочность скальных и полускальных пород определяется их вещественным составом и характером структурных связей.
108
Деформации в скальных и полускальных породах протекает поразному. В скальных породах они упругие, обратимые, в полускальных породах наряду с упругими деформациями возникают пластические остаточные.
Упругие деформации характеризуются модулем упругости:
=
, кг/см2,
где E – модуль упругой деформации; σ – нагрузка, вызывающая деформацию;
εz – относительная продольная деформация.
Поперечные деформации определяются коэффициентом Пуассона - коэффициентом пропорциональности между относительными поперечными деформациями ex и относительными продольными деформациями. Для скальных и полускальных пород коэффициент Пуассона изменяется от 0,1 до 0,4.
Наибольшее значение для оценки деформаций имеет модуль общей деформации:
о
= , кг/см2.
о
Модуль общей деформации выражает пропорциональность между общими деформациями породы (упругими и остаточными) и вызывающими их
напряжениями.
Механические свойства горных пород, проявляющиеся при изменении
напряженно-деформируемого состояния во времени, называются реологическими. Эти деформации характерны для полускальных пород. При медленном
приложении нагрузок упругость и прочность их снижаются, для них характерно развитие упруго-вязких и пластичных деформаций при постепенно возрастающих или даже постоянных нагрузках, менее разрушающих.
Способность полускальных пород изменять свои механические свойства и деформироваться во времени определяет развитие различных процессов:
осадку сооружений, их подвижки, развитие оползневых явлений, деформацию природных склонов и т.д.
При решении различных инженерно-геологических задач, связанных с
проектированием и строительством сооружений, разработкой месторождений
полезных ископаемых и др. для оценки физико-механических свойств скальных и полускальных пород интерес представляют следующие характеристики
[4]:
1. Минеральный состав, структурные и текстурные особенности;
2. Условия и формы залегания пород, характеристика напряженного состояния;
3. Общее строение – структура массива, отражающая их неоднородность и анизотропность;
4. Физические свойства;
109
5. Водные свойства;
6. Механические свойства.
7. Дополнительные специальные характеристики.
Дополнительные характеристики называют производственными, строительными, горнотехническими. К числу специальных характеристик относят:
Крепость горных пород – сопротивление разрушающим усилиям. Коэффициент крепости – это сопротивление раздавливанию кубика горной породы, равное 100 кг/см2.
=
сж
.
Твердость характеризуется сопротивлением, оказываемым горной породой при проникновении в нее другого тела. Определяется по шкале Мооса.
Истираемость, износ, абразивность – используются при изысканиях
для строительства дорог. Определяется путем испытания образца на вращающемся круге для истирания. Должна быть не более 0,4 г/см2.
Износ – прочность щебня. Потеря в весе после испытания в барабане
Деваля не должна превышать 4–10 %.
Разрабатываемость – сопротивление разрушению при различных рабочих процессах (копке, бурении, взрывании и т.д)
Буримость – сопротивляемость горных пород разрушению инструментом в процессе бурения. Показатель буримости – длина шпура (мм, см) пробуренного за 1 мин чистого времени бурения.
Разрыхляемость – увеличение объема пород в результате рыхления.
Определяют коэффициент разрыхления.
Морозоустойчивость – способность горных пород сохранять физическое состояние и прочность при воздействии отрицательных температур. Морозоустойчивость определяют в морозильных камерах путем 15 – 25-кратного
замораживания и оттаивания горных пород. Прочность может снижаться не
более чем на 20–25 %.
Рыхлые несвязные и мягкие связные породы. При изучении этих
классов пород особенно важно выделение генетических типов пород и их состава.
По происхождению мягкие связные и рыхлые несвязные породы можно разделить на три группы: континентальные, морские и лагунные. Особенно большим разнообразием характеризуются континентальные отложения. К
ним относятся элювиальные, делювиальные, коллювиальные, аллювиальные,
пролювиальные, ледниковые, водно-ледниковые, озерные, болотные, эоловые
и антропогенные образования.
Каждый из выделенных классов характеризуется определенными условиями накопления и формирования структурных связей, а, следовательно, и
110
различными физико-механическими свойствами, которые определяют условия строительства на этих породах.
При изучении песчаных и глинистых пород очень важным является установление процессов, под влиянием которых формируется физическое состояние и свойства пород во время их образования в земной коре. Кроме того,
необходимо учитывать дисперсность этих пород, т.к. с изменением дисперсности меняются свойства пород.
Большое значение на формирование прочностных свойств, особенно
глин, имеют структурные связи. Многие глинистые породы могут разжижаться или размягчаться при встряхивании или под влиянием других механических воздействий, а потом самопроизвольно восстанавливать свое состояние
и прочность. Такие обратимые явления называют тиксотропными. Важным
показателем способности пород к тиксотропии является время восстановления их физического состояния и прочности после механического воздействия.
Тиксотропия может резко изменять устойчивость и прочность глинистых пород и вызывать нарушение устойчивости сооружений.
Гранулометрический состав характеризует осадочные породы в отношении их дисперсности, т.е. размеров слагающих частиц (табл. 9). Он выражает процентное содержание в породе групп частиц (фракций) различных
размеров, взятых по отношению к весу абсолютно сухой породы [4].
Таблица 9
Фракции осадочных пород
Наименование фракций
Валуны (окатанные)
и камни (угловатые)
Галька (окатанные)
и щебень (угловатые)
Гравий (окатанные)
и дресва (угловатые)
Песчаные частицы
Пылеватые частицы
Глинистые частицы
Степень крупности
крупные
средние
мелкие
очень крупные
крупные
средние
мелкие
крупные
средние
мелкие
Размер частиц, мм
> 800
800-400
400-200
200-100
100-60
60-40
40-20
20-10
10-4
4-2
грубые
крупные
средние
мелкие
тонкие
крупные
мелкие
грубые
тонкие
2-1
1-0,5
0,5-0,25
0,25-0,1
0,1-0,05
0,05-0,01
0,01-0,002
0,002-0,001
< 0,001
111
Тонкую фракцию определяют методом отмучивания – по скорости падения частиц в воде. Эти частицы от крупных фракций резко отличаются по
составу – это глинистые минералы, образующие группу водных силикатов,
имеют, как правило, чешуйчатую, листоватую форму.
В зависимости от размера зерен выбирают методы определения гранулометрического состава (табл. 10).
Таблица 10
Методы гранулометрического анализа пород
Методы
Прямые
Ситовой
Метод Сабанина, пипеточный и др.
Визуальный
Косвенные
Метод Рудковского
Ареометрический
Способ определения содержания фракций
Рассеивание на ситах
Отмучивание в воде
Визуальное исследование пород
По набуханию глинистых частиц при их увлажнении и отмучивании песчаных частиц
Измерение плотности суспензии
Результаты гранулометрического анализа обычно представляют в виде
таблиц, в которых указывают процентное содержание каждой фракции. Затем
строят графики, наибольшей популярностью пользуется изображение гранулометрического состава в виде интегральной (кумулятивной) кривой (рис.
23).
Рис. 23. Интегральные кривые гранулометрического состава глинистых пород:
1 – однородной; 2 – неоднородной
Мерой неоднородности гранулометрического состава песчаных и глинистых пород служит коэффициент неоднородности:
112
н
=
,
где d60 – контролирующий диаметр, а d10 – действующий или эффективный
диаметр, которые определяются по кумулятивной кривой.
При коэффициенте неоднородности >3 для песчаных пород и >5 для
глинистых, они считаются неоднородными.
Физико-механические свойства песчаных и глинистых пород отличаются по своим показателям от скальных и полускальных пород. Вместо влажности для характеристики описываемых классов вводится понятие консистенции. Глинистые породы при той или иной влажности приобретают определенную подвижность (деформируемость). Различные влажности называют
пределами консистенции. Наиболее важными являются предел пластичности
и предел текучести.
Предел текучести соответствует такой влажности, при незначительном
превышении которой глина из пластичного состояния переходит в вязкотекучее.
Предел пластичности соответствует такой влажности, при которой
глинистая порода нарушенного сложения из полутвердого состояния переходит в пластичное.
Интервал влажности, при котором глинистая порода находится в пластичном состоянии, называется числом пластичности W. При W > 17 % – высокопластичная или глина; при W от 7 до 17 % – среднепластичная, суглинок;
при W от 1 до 7 % – слабопластичная, супесь.
Пластичность зависит, главным образом, от минерального состава их
тонкодисперсной части, т е. частиц менее 0,002 мм.
Для ориентировочного суждения о состоянии глинистых пород в условиях естественного залегания определяется коэффициент консистенции B:
=
п
р
,
где W – естественная влажность горной породы; Wр – нижний предел пластичности; Iп – число пластичности.
При взаимодействии с водой резко меняются свойства песчаных и особенно глинистых пород, у которых теряется связь между частицами, и они
могут размокать или распадаться.
Некоторые глинистые породы (особенно гидрослюды и монтмориллониты) при взаимодействии с водой увеличиваются в объеме (до 25–30 %) –
набухают. Величину набухания выражают в долях единицы или процентах от
начального образца породы по приращению высоты образца в результате набухания.
113
Изменение свойств глинистых пород происходит и при потере влаги
породой. Изменение объема пород при усадке происходит до определенного
предела влажности, ниже которого объем породы не изменяется.
Набухание пород связано с их влагоемкостью – способность поглощать
и удерживать воду (см. гл.1.2.1).
Особое значение для характеристики глинистых и песчаных пород имеет водопроницаемость (см. гл.1.2.1). На водопроницаемость, как указывалось
выше, большое влияние оказывают пористость и различные примеси. Если к
чистому песку добавить 10 % глины, то водопроницаемость уменьшится на
73 % (рис. 24).
Рис. 24. Зависимость проницаемости горных пород от содержания глинистых частиц
В инженерной геологии коэффициент фильтрации Kф рассматривается
как скоростная единица, исходя из закона Дарси. При напорном градиенте i,
равном единице, коэффициент фильтрации равен скорости потока V. Движение воды в глинистых породах начинается только тогда, когда напорный градиент достигает определенной величины, называемой начальным градиентом:
=
ф(
−
пр ).
В глинистых породах необходимо преодолеть вязкое сопротивление
сдвигу физически связанной воды (рис. 25).
Механические свойства по-разному проявляются в песчаных и глинистых породах. Внешняя нагрузка, приложенная к песчаной или глинистой породе, вызывает деформацию сжатия (уплотнения), т.е. компрессию. Вследст-
114
вие этого уменьшается пористость пород, повышается их плотность и объемный вес.
Рис. 25. Графики зависимости скорости движения воды в песчаных и глинистых
породах от величины напорного градиента:
1 – для песчаных пород; 2 – для глинистых пород
Для песчаных и глинистых пород, так же, как и для скальных и полускальных, изучают их прочность и деформацию.
Деформацию песков и глин изучают при одноосном сжатии в условиях
отсутствия бокового расширения. Такие деформации называют компрессионными, они изучаются в одометрах.
Компрессионные испытания отражаются на компрессионной кривой
(рис. 26), которая характеризует степень уплотнения пород (по коэффициенту
пористости) при возрастающей нагрузке.
Рис. 26. Компрессионная кривая:
1 – кривая уплотнения; 2 – кривая разуплотнения - набухания
115
По компрессионной кривой можно определить коэффициент сжимаемости а:
= tgα =
.
Чем больше tg α, тем порода слабее, т.е. она более податлива, сильнее
уплотняется в пределах заданного интервала давлений.
Если α < 0,001, то грунт несжимаемый; при α от 0,001 до 0,01 – слабо
сжимаемый; при α от 0, 01 до 0,1– средне сжимаемый; если α > 0,1, то грунт
сильно сжимаемый.
Мерой компрессионных свойств породы может быть коэффициент относительной сжимаемости, выражающий относительную деформацию породы, т.е. представляющий величину сжатия породы от нагрузки σ (кг/см2),
отнесенной к первоначальной мощности слоя. Коэффициент относительной
сжимаемости ао вычисляется по формуле [4]
о
= 100
∆
,
где Δh – величина, на которую изменилась высота образца, см; h – первоначальная высота, см.
При ао < 1 порода несжимаемая; ао = 1–5 – слабо сжимаемая; ао = 6–20
– средне сжимаемая; ао = 21–60 – повышенная сжимаемость; ао > 60 – сильно
сжимаемая.
Прочность песчаных и глинистых пород характеризует их способность
сопротивлением сдвигу. Разрушение породы наступает тогда, когда касательные напряжения превышают внутренние силы сопротивления (трение, сцепление).
Сопротивление сдвигу песчаных пород зависит от трения (рис. 27а),
глинистых – от трения и сцепления (рис. 27б).
Рис. 27. Диаграммы сопротивления сдвигу пород
116
Сопротивление сдвигу песчаных пород определяется по формуле
=
∙
,
а сопротивление сдвигу глинистых пород:
=
∙
+ ,
где угол φ – угол внутреннего трения, С – силы сцепления; σ – нагрузка.
Прочность глинистых пород в инженерной геологии принято оценивать
коэффициентам сдвига F – тангенсом угла сдвига, который определяется графически или рассчитывается по формуле
=
=
+
.
Песчаные и глинистые породы очень чувствительны к реологическим
деформациям. Степень определения ползучести или упругости в грунте зависит от отношения времени действия силы к времени релаксации, под которым
понимается такой промежуток времени, в течение которого напряжение
уменьшается на определенную величину. Если продолжительность действия
сил на грунт больше периода релаксации, начинаются деформации ползучести и течения.
Инженерно-геологическая оценка грунтов особых свойств, состояния и
состава учитывают те особенности состава и физико-механических свойств,
которые определяют условия строительства. Например, илы – это, прежде
всего, водонасыщенные осадки, образовавшиеся механическим и химическим
путем на дне морей, лагун, болот, озер, поймах рек. Влажность их достигает
70–80 %. Угол естественного откоса стремиться к нулю. Строительство на
них возможно в результате уплотнения, укрепления, дренирования вертикальными песчаными дренами.
Торф – это порода органического происхождения, содержащая более 60
% растительных остатков. Торф сильно влагоемкий, чрезвычайно сильно, неравномерно и длительно сжимаемая порода, для которой характерны реологические свойства. При строительстве на торфах применяют различные меры,
предостерегающие от сильного и неравномерного сжатия: армированные пояса, осадочные швы, разрезка зданий на отдельные жесткие отсеки, свайные
основания и т.д.
Свойства засоленных пород (содержание растворимых солей более 0,3
%) зависят от состава и содержания солей. При выщелачивании воднорастворимых соединений изменяются плотность пород, деформируемость, связность, прочность, устойчивость и водопроницаемость.
117
При проектировании строительства на засоленных породах необходимо
знать: степень засоления пород; состав легкорастворимых и среднерастворимых солей; солевой и влажностный режим пород и условия засоления. При
строительстве на таких грунтах необходимо тщательное регулирование поверхностного стока и дренаж подземных вод.
В природе практически нет пород, не требующих улучшения свойств
при строительстве, поэтому в инженерной геологии применяют различные
способы. Применяемые способы делятся на механические (трамбование, виброуплотнение и др.); физические (обжиг, замораживание, глинизация, битумизация и др.); химические (цементация, силикатизация и др.).
Выделяют поверхностные методы учучшения пород с нарушенным
строением и глубинные методы укрепления пород в массиве с ненарушенным
строением.
Для поверхностного укрепления пород используют методы цементации,
битумизации и др. Для глубинного укрепления пород используют физикомеханические (механические и физические), физико-химические и химические методы.
Выбор метода зависит от следующих факторов:
1. группа и петрографический тип горных пород, их физическое состояние;
2. строительные требования к породе;
3. технические возможности применения того или иного метода в данных конкретных условиях;
4. экономическая выгодность по сравнению с другими методами.
Для скальных и полускальных пород методы улучшения свойств направлены на восстановление монолитности, повышенной устойчивости и
прочности, снижение деформируемости и водопроницаемости. Для этих целей применяют глинизацию и битумизацию, для временного улучшения – замораживание.
С целью улучшения свойств рыхлых пород применяют осушение, механическое уплотнение, тампонаж, закрепление силикатизацией и др.
4.1.4. Горно-геологические массивы
Горная порода в массиве представляет собой минеральное тело определенного геологического возраста и происхождения, геометрического очертания и размера, внутреннего строения и вещественного состава. Изменение
строения и состава пород в различных точках обуславливают неоднородность
и анизотропность физико-механических свойств [16].
В массивах горных пород всегда существуют зоны повышенных и пониженных напряжений, области сжатия и растяжения, что определяет «вековое» деформирование горных пород.
118
На прочность горных пород в массиве оказывают влияние повышение
температуры, рост физико-химической активности водных растворов, повышение растворимости при напряжениях, равных критическим, положение в
структуре массива. Большое влияние на прочность в массиве оказывают гидрогеологические условия, микротрещины, выветривание.
В горном деле сталкиваются не с отдельными породами, а их толщами,
составляющими массивы горных пород, которые отличаются инженерногеологической структурой. Изучая инженерно-геологическую структуру массива, обращают внимание на строение поверхности и, прежде всего, на глубину эрозионного вреза и густоту речной сети; на горно-геологическую ярусность геологического разреза и строение ярусов и, в целом, на структурномеханические особенности.
Рассмотрим, что подразумевается под горно-геологическими ярусами.
В геологическом разрезе выделяются толщи, составляющие как бы самостоятельные этажи, сложенные из пород разнородных, но родственных по геотектоническим условиям образования. Они отличаются друг от друга горнотехническими условиями, степенью устойчивости, разрабатываемостью и т.д. –
это горно-геологические ярусы.
Ярус с полезным ископаемым называется основным, верхний - покровным (первый от поверхности), ниже основного яруса – нижний.
Открытыми называются массивы, когда основной ярус выходит на поверхность земли. Остальные относятся к массивам закрытого типа.
Главной задачей при выделении горно-геологических ярусов является
установление границ между фациальными комплексами. Основанием для такого выделения могут служить детали внутреннего строения массива, как,
например, в однородной толще несцементированных пород твердых включений или же прослоев и линз высокопрочных пород, т.е. когда исключается
возможность использования при производстве вскрышных работ высокопроизводительной техники непрерывного действия. В ряде случаев основание
для выделения горно-геологических ярусов служат условия устойчивости высокопрочных пород в обнажениях горных выработок, определяемых наличием в их толще резкоослабленных пород или поверхностей ослабления и т.д.
Горно-геологическая ярусность массивов пород чаще всего вызывается
качественными изменениями условий породообразования и последующих
изменений состояния и свойств пород.
По признаку горно-геологической ярусности различаются массивы пород одно-, двух-, трех- и многоярусные.
По петрографическому составу выделяются горно-геологические ярусы
двух основных типов:
1) в строении которых принимают участие горные породы только одного из трех петрофизических классов – твердые связные или несвязные;
2) сложенные из пород одного петрофизического класса
119
Тектонические условия залегания пород относятся к числу важнейших
структурно-геологических характеристик (рис. 28).
Рис. 28. Основные типы тектонического строения горно-складчатых ярусов массивов горных пород
Выделяются ярусы тектонически ненарушенные (рис. 28а) и нарушенные с моноклинальным залеганием пород (рис. 28б); простого складчатого
строения (рис. 28в) и сложного складчатого строения с интенсивно развитыми разрывными нарушениями (рис. 28г); с вторичной складчатостью (рис.
28д), а также сложного строения с внедрением интрузии (рис. 28е).
120
Раздел 5. Инженерная геодинамика
Тема 5.1. Экзогенные геологические и инженерно-геологические
процессы и явления
План:
5.1.1. Инженерная геодинамика
5.1.2. Экзогенные геологические процессы и явления
5.1.3. Инженерно-геологические процессы и явления
5.1.1. Инженерная геодинамика
Инженерная геодинамика изучает геологические процессы и явления
как естественные, так и возникающие в связи со строительством сооружений
и хозяйственным освоением территорий. Условия строительства сооружений
на территориях с различными геологическими процессами специфические, в
каждом отдельном случае регламентируются специальными строительными
нормами и правилами.
Геодинамика решает вопросы строительства сооружений в особых геологических условиях, разрабатывает теоретические основы охраны территорий и прогноза геологических процессов и явлений. Конечными задачами
инженерной геодинамики следует считать разработку научных основ и методов управления геологическими процессами и рационального использования
недр Земли. В соответствии с этим, инженерная геодинамика изучает и разрабатывает [10]:
1. закономерности распространения разнообразных экзогенных процессов и явлений;
2. закономерности возникновения геологических процессов и явлений,
связанных с хозяйственной деятельностью человека;
3. динамику различных процессов, формы проявления и обусловленность природными или искусственными факторами;
4. качественные и количественные методы оценки возможного влияния
геологических процессов на устойчивость территорий, сооружений и условия
их эксплуатации;
5. теоретические основы прогноза угрозы геологических процессов и
явлений с целью управления их развитием, предупреждая возникновение;
7. методику инженерно-геологических исследований для обоснования
проектов защитных инженерных мероприятий.
Геологические процессы проявляются в развитии геологических явлений. При изучении таких процессов учитываются те силы, которые обусловливают их возникновение и развитие. Эту взаимосвязь отметил Ф.П. Саваренский – основоположник инженерной геологии – еще в 1937 г. Ниже приво-
121
дятся группы геологических процессов и связанных с ними геологических явлений (табл. 11).
Таблица 11
Группы геологических процессов и явлений
Процессы
Деятельность поверхностных вод (морей, озер,
водохранилищ, рек и
временных потоков)
Паводки на горных реках
Деятельность поверхностных и подземных вод
Явления
Подмыв и разрушение берегов морей, озер, водохранилищ
Подмыв и разрушение речных берегов
Размыв склонов – овражно-балочные явления
Сели
Заболачивание территорий
Просадочные явления
Карст
Деятельность подземных Плывуны
вод
Суффозионные явления
Действие гравитационОползни
ных сил
Обвалы
Деятельность ветра
Развеивание и навеивание
Промерзание и оттаива- Термокарст
ние горных пород
Морозное пучение
Наледи
Действие внутренних
Набухание
сил в горных породах
Усадка
Разуплотнение
Действие внутренних
Сейсмические явления
сил Земли
Инженерная деятельРазрушение и уничтожение полезных площадей при разработке
ность человека
месторождений полезных ископаемых
Оседание поверхности земли при значительных откачках подземных вод, нефти и газа
Затопление и подтопление территорий
Вторичные засоления горных пород при орошении территорий
Как видно из таблицы, процессы и явления неразрывно связаны, причем
процесс следует понимать как развитие или смену состояния какого-либо
природного явления, а явление – как содержание и выражение самого процесса.
5.1.2. Экзогенные геологические процессы и явления
Характеристика геологических процессов проводится в соответствии и
в последовательности, предложенной Ф.П. Саваренским.
Геологические процессы, связанные с поверхностным стоком. К ним
относятся: абразия речных долин, оврагообразование, эрозия речных долин.
122
Абразивные процессы развиваются под воздействием волноприбоя. Подмыв и
разрушение берега моря изменяет профиль очертания берега моря и его устойчивость.
Формирование берега зависит от прочности и физического состояния
слагающих их пород. Устойчивость берега зависит от условий залегания пород и последовательности напластования пород различного петрографического состава.
Для защиты берега моря от разрушения проводятся профилактические
и капитальные мероприятия. Профилактические – с целью предупреждения
опасных явлений, это охрана пляжей, берегоукрепительные сооружения, наблюдения за нормальными условиями их работы, стационарные наблюдения.
Капитальные мероприятия заключаются в строительстве сооружений и
береговых укреплений: волноотбойные стенки, бетонные плиты, каменные
наброски, молы и др.
Эрозионные явления. При формировании речных долин ведущее значение имеет донная и боковая эрозия. Работа рек проявляется в размыве и разрушении русел, берегов и в переносе рыхлого материала, поступающего в их
поток.
Для защиты берегов рек от разрушения выполняются противоэрозионные мероприятия: каменная наброска в береговой зоне, мощение, укладка бетонных плит и т.д.
Овраги образуются в результате размыва склонов, сложенных легко
размокаемыми породами. Особую опасность представляют ливневые дожди.
Скорость развития оврагов может достигать от 40 од 60 м в год.
Основная задача при защите склонов от разрушения оврагами заключается в регулировании поверхностного стока. Достигается это путем выполнения комплекса мероприятий: 1) лесомелиоративные – устройство полезащитных лесных полос; дополнение – посев многолетних трав; 2) строительство
водоулавливающих и водорегулирующих сооружений (нагорные и водоотводные канавы, водоудерживающие валы и дамбы); 3) укрепление участков
активного размыва засыпкой с последующим мощением камнем, свайными
рядами, одерновкой; 4) строгое соблюдение правил землепользования и агротехники (установление охранных зон с запрещением вырубки леса, распашки
земель и т.д.
К деятельности поверхностных вод относятся паводки на горных реках, которые проявляются в образовании селя. Селями называют происходящие на горных реках и временных водотоках паводка, несущего много твердого обломочного материала и глинистого мелкозема. Сели внезапны и кратковременны, проходят с большими скоростями течения за несколько часов
(до 3–5 ч), часто волнами из-за образующихся заторов.
Сели образуют определенный тип континентальных отложений - пролювий. Они слагают конусы выноса, пролювиальные шлейфы и покровы.
123
Защита от селевых явлений: 1) организация службы режимных наблюдений в пределах водосборного бассейна и селеопасного района; 2) устройство охранных зон; 3) выполнение лесомелиоративных работ; 4) выполнение
регуляции поверхностного стока на склонах водосборного бассейна; 5) создание регулирующих и улавливающих сооружений в руслах потоков; 6) строительство каналов, селеспусков и других сооружений для организованного
пропуска селевых паводков.
С одновременной деятельностью поверхностных и подземных вод связано заболачивание территорий и просадочных явлений. Болота – это участки, где в результате заболачивания происходит накопление растительных остатков и образование торфа. Наиболее благоприятные условиями для образования болот является влажный климат, равнинный рельеф, пониженные элементы рельефа и близкое залегание к поверхности грунтовых вод.
Строительство сооружений на болотах и заболоченных территориях
связано со свойствами торфа, главными из которых является высокая влагоемкость и неравномерная сжимаемость.
При строительстве предусматриваются все меры для сильно и неравномерно сжимаемых грунтов: армированные пояса, осадочные швы, разрезка
зданий на отдельные жесткие отсеки, дренажные рвы и т.д.
Просадочные явления наблюдаются в лессах. Характеристикой их гранулометрического состава является повышенная или высокая пылеватость (до
80–82 %). Лессы характеризуются понишенной плотностью, легко размываются и быстро размокают. При оценке лессовых пород особое значение имеет
определения просадочности.
Мероприятия для устойчивости зданий на лессовых породах: 1) предохранение лессовых пород от замачивания; 2) прорезка лессовых пород глубокими фундаментами; 3) устранение просадочных свойств лессовых пород; 4)
применение конструкций зданий, малочувствительных к просадкам.
С деятельностью подземных вод связаны явления карста, плывунов и
суффозии. Явления карста подробно рассматривались в разделе «Общая гидрогеология». В инженерной геологии карст создает большие проблемы при
оценке территорий и условий строительства.
Для оценки устойчивости закарстованных территорий необходимо
знать глубину залегания растворимых пород, степень их закарстованности,
состав и свойства покровных отложений.
В районах распространения карста применяют следующие комплексы
мероприятий: 1) планировку территорий, сопровождающуюся регуляцией поверхностного стока и устройством канализации для отвода производственных
вод; 2) каптаж подземных вод и дренаж обводненных пород; 3) площадную
подготовку основания; 4) устройство опор глубокого заложения; 5) искусственное уплотнение и укрепление пород; 6) устройство противофильтрационных завес; 7) разнообразные конструктивные мероприятия.
124
В строительной и горной практике плывунами называют пески тонко- и
мелкозернистые, водоносные, которые при вскрытии котлованами и горными
выработками плывут. Плывуны могут течь медленно и быстро, катастрофически быстрое движение плывунов представляют большую опасность для
строительных и горных работ [16].
Плывуны – это слабые, неустойчивые породы, требующие применения
специальных методов ведения строительных и горных работ и специальных
мероприятий для обеспечения устойчивости сооружений. Причина плывунности состоит в особенностях состава, состояния и свойств песчаной породы,
находящейся под воздействием гравитационных, гидростатических и гидродинамических сил, доминирующая роль которых может изменяться в зависимости от геологического строения: условий залегания плывуна и условий
вскрытия.
При строительстве сооружений в плывунах применяют специальные
способы проходки, которые могут быть подразделены на следующие группы.
1. Проходка подземной выработки с помощью ограждающих крепей,
опережающих забой. Такая проходка сопровождается водоотливом и понижением уровня воды водопонижающими скважинами, располагающимися по
контуру подземной выработки.
2. Проходка подземной выработки после замораживания пород, которое
производят охлаждением пород до температуры –200С рассолом, циркулирующих в замораживающих колонках.
3. В плывунах, обладающих повышенным напором, проходку подземных выработок часто осуществляют с помощью проходческих щитов, в которых создают повышенное давление воздуха.
Суффозия – это процесс выноса мелких частиц из породы, заполнителя
трещин или карстовых полостей при определенных условиях. Основными
действующими силами, вызывающими развитие суффозии, являются либо
большие скорости движения фильтрационного потока, который вымывает
частицы, размывает породы, либо возникающее гидродинамическое давление
в фильтрационном потоке.
Суффозия возникает преимущественно в породах, у которых коэффициент неоднородности гранулометрического состава больше 20.
Для предупреждения суффозии снижают уровни подземных вод дренажами на опасных участках. С целью уменьшения градиентов потока устраивают шпунтовые ограждения и противофильтрационные завесы для увеличения длины пути фильтрации.
Действие гравитационных сил проявляется в виде оползней и овалов.
Оползнем называется масса горных пород, сползшая или сползающая
вниз по склону под влиянием силы тяжести, гидродинамического давления,
сейсмических процессов и др. Оползневые явления всегда сопровождаются
изменением рельефа местности, ее геологического строения.
125
Каждый оползень обладает той или иной степенью устойчивости, которая зависит от причин, вызывающих сползание грунта и степенью их устранения.
Размеры оползневых масс различные: малые – отдельные глыбы, небольшие срывы объемом в единицы кубических метров; небольшие объемом
от десятка до 100–200 м3; большие – тысячи и десятки тыс. м3; грандиозные –
сотни тыс. м3.
Поверхность, по которой происходит оползание, называется поверхностью скольжения. Формы поверхности скольжения в однородных породах
чаще вогнутая; в неоднородных – определяется положением и ориентировкой
поверхности и зон ослабления в толще пород, слагающих склон или откос.
Место выхода кривой смещения к подножью склона называется подошвой
оползня.
Инженерно-геологическая оценка устойчивости оползня должна быть
комплексной (качественной и в конечном счете обязательно количественной),
она должна основываться на данных изучения: морфологии, строения (структуры) оползня; динамики развития оползневых явлений; соотношения усилий, сдвигающих и удерживающих, определяющих равновесие горных масс,
слагающих оползень.
В настоящее время в практике борьбы с оползнями применяют следующие группы мероприятий: 1) регулирование поверхностного стока; 2)
дренаж обводненных горных пород; 3) перераспределение масс горных пород; 4) защита от подмыва и размыва; 5) закрепление масс горных пород подпорными и анкерными сооружениями; 6) искусственное улучшение свойств
горных пород; 7) мелиоративные работы; 8) профилактические мероприятия.
Обвальные явления развиваются под влиянием гравитационных сил на
склонах и откосах, к ним относятся собственно обвалы, вывалы и осыпи.
Вывал – это внезапный отрыв и падение отдельных глыб и блоков горных пород из откосов выемок, бортов карьеров, с крутых и отвесных склонов,
сложенных скальными или полускальными породами.
Осыпи, в отличие от вывалов, характеризуются только небольшими
размерами отдельностей, образующихся вследствие определенного физического состояния горных пород.
Собственно обвалы – это обрушение как отдельных глыб и блоков, так
и более крупных объемов скальных и полускальных пород из обнажений,
расположенных на нагорном склоне бровки откоса, или из крутой, отвесной
верхней части склона, сопровождающееся их скатыванием, опрокидыванием
и раскалыванием. Обвальные явления характеризуют неустойчивость склонов
и откосов, и на участках их распространения создают опасность сохранности
и нормальной эксплуатации сооружений.
Обвальные явления наблюдаются только в горных районах с резкорасчлененным рельефом, в районах распространения высоких и крутых склонов,
на участках склонов, подрезанных откосами выемок, а также в карьерах,
126
имеющих крутые откосы. Такое распространение обвальных явлений указывает на прямую связь условий их формирования с рельефом – с участками
высоких и крутых склонов и откосов.
Противообвальные мероприятия состоят из работ профилактического
порядка и работ по строительству специальных противообвальных сооружений.
Явления, связанные с промерзанием и оттаиванием горных пород, рассматриваются в теме 5.3.
Действие внутренних сил в горных породах рассматривалось при изучении водных свойств песчаных и глинистых пород.
Влияние инженерной деятельности человека будут рассмотрены ниже в
г. 5.1.3. на примере горно-геологических явлений при подземной и открытой
разработке месторождений полезных ископаемых.
Остановимся на природе сейсмических явлений и условиях строительства в районах землетрясений.
К сейсмическим относятся территории, подверженные землетрясениям,
т.е. резким, внезапным подземным толчкам и колебаниям земной коры, угрожающим жизни и деятельности человека.
Землетрясения имеют тектоническое происхождение и связаны с колебательными движениями земной коры. Эти движения приводят к образованию гор и впадин, обусловливают накопление напряжений в толще горных
пород литосферы в течение длительного времени. Когда такие напряжения
достигают предела прочности горных пород, происходит разрыв литосферы
или ее части и образуются разломы. Область разрыва принято называть очагом землетрясения.
Кроме землетрясений тектонических бывают землетрясения, связанные
с деятельностью вулканов, образованием обвалов, а также с деятельностью
человека.
Интенсивность землетрясения определяется в первую очередь количеством энергии, выделяющейся в области очага, и энергией сейсмических
волн. Для характеристики землетрясения используют степень разрушения
зданий, остаточные явления в горных породах, изменение режима поверхностных и подземных вод, нарушение рельефа.
При строительстве в сейсмических районах должны выбираться строительные площадки с учетом детального микрорайонирования; должна соблюдаться правильная компоновка зданий.
5.1.3. Инженерно-геологические процессы и явления
Естественная геологическая обстановка строительства в освоенных человеком районах всегда в той или иной степени изменена. Особенно радикальные изменения связаны с горными работами, крупными гидротехническим и городским строительством. Условия эксплуатации существующих со127
оружений и возведения новых в таких районах складываются из совокупности природных условий и условий, созданных человеком в процессе строительства и возникающих в результате взаимодействия инженерных сооружений с геологической средой.
Интенсивность и характер изменений в природной геологической обстановке, очевидно, будут зависеть как от вида инженерного воздействия, так
и от некоторых особенностей самой геологической обстановки. Поэтому явления искусственного изменения этой обстановки, т.е. инженерногеологические явления, отличаются очень большим разнообразием. Остановимся на тех явлениях, которые возникают при разработке месторождений
полезных ископаемых открытым или подземным способом. Эти явления называются горно-геологическими.
С проведением горных выработок первичное напряженное состояние и
условия равновесия горных пород в массиве нарушается. Это происходит в
результате перераспределения напряжений, приводящих к появлению очагов
концентрации напряжений в одних местах и ослаблению в других. В условиях неоднородных в отношении структурно-механических характеристик массивов пород картина перераспределения напряжений представляется значительно более сложной.
В новой обстановке напряженного состояния, вызванной проведением
выработок, горные породы деформируются тем интенсивнее, чем ниже их
показатели прочности. При наличии вблизи выработок (в их кровле) высокопрочных пород они будут поддерживать вес вышележащих пород, и, таким
образом, аккумулировать большие запасы потенциальной энергии деформирования пород.
Горно-геологические явления при подземных работах. Деформации
вследствие нарушения естественного напряженного состояния массива при
проведении горных выработок могут появиться сразу же после проведения
выработки или же по истечении некоторого времени, необходимого для образования значительного пролета выработки, развитие необратимых деформаций (явления ползучести и релаксации) горных пород и изменения состояния
и свойств самих горных пород в результате изменений механических условий
деформирования, происходящих по мере развития горных работ, а также гидрогеологической обстановки, степени выветрелости пород и т.д [11].
Большинство горно-геологических явлений при подземных работах
представляют собой результат действия сил горного давления. Подчиненное
значение играют горно-геологические явления, возникающие в результате
воздействия сил фильтрационного давления. К первой группе относятся
сдвижения горных пород, пучение пород, отжим, горные удары и внезапные
выбросы угля и газа и некоторые другие явления. Явления фильтрационного
выпора, прорыва подземных вод и плывунов, суффозионного размыва пород
и некоторые другие составляют вторую группу горно-геологических явлений,
природа которых была охарактеризована ранее.
128
Сдвижение горных пород – это сложный и многостадийный процесс
деформирования подработанных горными выработками толщ горных пород.
Начинаясь от выработки, они развиваются во всей покрывающей толщи, и
могут дойти до поверхности, вызвав плавное едва заметное пригибание или
же значительные, нередко резкие и неравномерные деформации, сопровождающиеся образованием трещин и обрушениями. Область массива, пришедшая в движение, образует зону сдвижения. Впадина, образовавшаяся на поверхности земли, называется мульдой сдвижения. Углы наклона линий, ограничивающих зону сдвижения от нетронутого массива, именуются углами
сдвижения. Очень важными элементами сдвижения являются наибольшее
оседание ηо, величина наибольшего горизонтального сдвижения ξmax и наибольший наклон мульды ηmax.
Пучение горных пород наблюдается на буроугольных месторождениях,
месторождениях каменного угля и антрацитов. В результате пучения уменьшается поперечное сечение выработки, нарушаются крепление и шахтные пути. Иногда горная выработка полностью заполняется пучащейся породой. Известны случаи закрытия шахты и рудника из-за невозможности или нецелесообразности поддержания выработок в сильно пучащихся породах.
Пучение в типичном виде проявляется в пластических глинистых породах, обладающих незначительным сцеплением и внутренним трением. Но на
значительных глубинах разработок (до 1000 м и более) отмечается иногда
подвижность пород почвы, отличающихся значительной прочностью и относящихся к группе полутвердых и даже твердых пород (глинистые сланцы,
плотные и прочные аргиллиты и алевролиты). Однако такого рода деформации пород почвы имеют физическую природу, отличную от физической природы явлений пучения пластических глинистых пород, и поэтому должны
быть отнесены в особую группу проявлений горного давления. Борьба с ними
ведется в основном с применением прочных, жестких и замкнутых крепей, а
также выбором таких технологических схем и способов работ, которые обеспечивают максимальное снижение горного давления, быстрое проведение и
крепление горных выработок.
Отжим горных пород и пластов угля. Эти явления наблюдаются в случаях, когда в кровле пласта развиты породы, допускающие прогиб без видимого нарушения сплошности, или же породы, опускающиеся крупными блоками. Отжим начинается со слабых прослойков угля или породы. Прочные
породные прослои и включения, например в угольном пласте, резко снижают
отжимаемость. Снижают отжимаемость и слабые породы кровли. Очевидно,
что отжимаемости будут способствовать все факторы, повышающие горное
давление на забой. Из горно-геологических факторов наибольшее влияние на
отжим угля оказывают: система разработки и длина лав, взаиморасположение
лав и скорость их продвигания, способ управления кровлей. Используя влияние этих факторов, на многих шахтах добились значительного повышения
производства труда при зарубке угля.
129
Горные удары и внезапные выбросы угля и газа представляют собой
грозную опасность при горных работах. Разрушение горных пород и угля при
этих явлениях носит характер внезапного взрыва, сопровождающегося сильным гулом, сотрясениями и воздушным ударом. В результате крепь горных
выработок повреждается ил полностью разрушается, выработка заваливается
выброшенной породой и углем, а породы кровли, ослабленные ударом, теряют свою устойчивость и часто обрушаются, заваливая выработку. Горному
удару обычно предшествуют усиление горного давления на целики и крепь
выработок, выпучивание почвы, выдавливание целиков и некоторые проявления горного давления.
Горные удары возникают при высокой прочности и жесткости вмещающих пород и способности их накапливать энергию упругой деформации.
Они наблюдаются на участках максимальной концентрации напряжений и в
момент мгновенного перераспределения последних при нарушении сплошности высокопрочных пород кровли, обычно в наиболее расслабленных зонах.
Интенсивная дислоцированность пород всегда благоприятствует данным явлениям. Внезапные удары большой силы наблюдаются в калийных рудниках
и при извлечении оставленных целиков в угольных шахтах.
Внезапные выбросы угля и газа (метана, углекислого) приурочиваются
к призабойным частям угольного пласта. В большинстве случаев они начинаются с глубины 250 м, однако, отмечены случаи и на меньших глубинах.
Угольный пласт подверженный внезапным выбросам, имеет рыхлое
сложение, без кливажной трещиноватости и заключен в прочных горных породах (песчаниках, крепких глинистых и песчано-глинистых сланцах).
Горно-геологические явления при открытых разработках.
Создающиеся при открытых разработках откосы подвержены различного рода деформациям [7]. Многие из них, в особенности оползни, сильно
затрудняют ведение горных работ, повышают себестоимость и потери полезного ископаемого. Вопросы устойчивости откосов приобретают большое значение в связи с дальнейшим развитием открытых работ в новых бассейнах и
месторождениях, а также углублением действующих ныне карьеров. Особо
остро встают вопросы устойчивости бортов угольных карьеров, так как массивы угленосных месторождений, как правило, сложены менее устойчивыми
горными породами, чем массивы рудных месторождений.
В карьерах различают откосы временных (рабочих), нерабочих и отвальных уступов, а также откосы капитальных и разрезных траншей.
Абсолютно устойчивых откосов в природе нет, все они в той или иной
мере деформируются. Поэтому можно говорить только об относительной устойчивости откосов. Откосы считаются относительно устойчивыми, если их
деформация невелики и не вызывают выполнения сколько-нибудь значительных работ по уборке смещенных масс. При этом различают откосы краткосрочной и долговременной устойчивости [11]. Откосы рабочих бортов относятся к категории краткосрочно устойчивых; их относительная устойчивость
130
обеспечивает нормальное продвижение забоя и фронтальных работ в целом.
Откосы нерабочих уступов и капитальных траншей должны отвечать условия
долгосрочной устойчивости. Их относительная устойчивость должна сохраняться на протяжении всего срока службы карьера.
Оползни отличаются огромными объемами горных пород, участвующими в данном виде деформации. Можно различать оползни: 1) мелкие, когда объем оползневых масс измеряется сотнями и тысячами кубометрами; 2)
средние, когда объем оползневых масс составляет десятки тысяч кубометров;
3) крупные, когда объем оползших масс составляет сотни тысяч кубометров;
4) очень крупные, когда объем оползших масс измеряется миллионами кубометров.
Главной отличительной чертой оползней является скольжение оползневых масс вниз по откосу по некоторой поверхности, получившей наименование поверхности оползания.
Обрушения и обвалы характеризуются быстрыми смещениями и падением крупных блоков и пачек пород, оторвавшихся от уступов и бортов карьера. При своем падении блоки и куски пород опрокидываются и дробятся на
более мелкие куски и пачки. Обрушения нередко начинаются с оскользней по
подрезанным откосам карьера поверхностям ослабления.
Осыпи происходят в форме смещения и падения мелких обломков и зерен пород, отделившихся в результате выветривания и растрескивания их.
Осыпание пород, вызванное или усиленное действием вибрации (например,
буровзрывными работами), называется осовами.
Оплывины. В условиях обводненности карьеров, в бортах которых развиты фильтрационно-неустойчивые породы, наблюдаются явления оплывания, суффозии, фильтрационного выпора и некоторые другие виды фильтрационного разрушения пород. Они особенно характерны для периода вскрытия
и начальных стадий разработки месторождений, когда дренирующие действие обнаженных поверхностей карьера и водопонизительных устройств проявлялось еще не в полной мере. Оплывание пород относится к числу наиболее
распространенных и важных видов фильтрационного разрушения откосов несцементированных и обводненных пород карьера. Оплывание зависит от гранулометрического состава пород. Языки оплывания могут достигать 5 м.
Тема 5.2. Инженерно-геологические исследования в криолитозоне
План:
5.2.1. Многолетнемерзлые породы, состав, строение и условия залегания
5.2.2. Экзогенные геологические процессы в криолитозоне
5.2.3. Особенности инженерно-геологических исследований в криолитозоне
131
5.2.1. Многолетнемерзлые породы, состав, строение и условия залегания
Многолетнемерзлыми называются породы, которые в течение длительного времени имеют отрицательную температуру. Породы с отрицательной
температурой, но безо льда (сухие пески, гравий и галечник), не относятся к
типично мерзлым, так как их свойства при отрицательных температурах не
изменяются [9].
В мерзлых породах присутствует лед, который может находиться как
породообразующая часть в виде цемента, в виде отдельных кристаллов и скоплений. Важной особенностью строения толщ мерзлых пород являются часто
встречающиеся талики.
Наличие льда и отрицательная температура определяют прочность,
воднофизические, фильтрационные, теплофизические, электрические и другие свойства пород в области распространения многолетней мерзлоты.
Особенно чувствительны к изменению температуры и количества льда
песчано-глинистые породы. В них лед содержится в количестве нередко значительно превышающем их полную влагоемкость. При оттаивании вода, содержащаяся в породе в избытке, нередко разжижает породу, приводя ее в текучее состояние. Снижение прочности пород вызывает просадки, плывунные
явления, набухание и другие явления. Образование же льда при промерзании
вызывает криогенное пучение, расслоение, растрескивание пород и пр.
При низких температурах мерзлые песчано-глинистые породы имеют,
как правило, более значительную прочность, чем одноименные немерзлые
породы.
Скальные и полускальные породы в откосах карьеров и стенках подземных выработок при больших геотермических градиентах подвергаются
интенсивному выветриванию, растрескиванию и осыпанию..
В районах с многолетнемерзлыми породами проведение горных работ
имеет специфику, связанную с инженерно-геологическими особенностями.
По основным процессам теплообмена, определяющим криогенные свойства
пород в пределах области с многолетнемерзлыми породами, выделяются две
геокриологические зоны.
Северная зона характеризуется преобладающим распространением и
пониженными температурами пород на водоразделах. В понижениях рельефа
породы приобретают повышенные температуры, распространены талики. На
равнинах, в районах с максимальными геокриологическими показателями
толща многолетнемерзлых пород достигает наибольшей сплошности и мощности (до 600 м), самой низкой температуры (минус 12 0С), высокой льдистости, встречаются крупные (до 50 м по мощности) залежи подземного льда.
В южной зоне, за исключением высокогорных районов, мерзлая толща
преобладает в депрессиях рельефа, нередко в виде островов. Талики приурочены к возвышенностям. Зональная температура, как правило, выше – 30С,
132
нередко 0 0. Мощность менее 100 м. редкие залежи льда незначительны по
мощности.
Основные виды и разновидности геокриологических обстановок,
влияющих на инженерно-геологические условия месторождений, приведены
в табл. 12. В ней выделены три вида и шесть разновидностей геокриологических обстановок, которые должны учитываться при разведке месторождений
и дополнять типизацию месторождений по сложности инженерногеологических условий их разработки.
Таблица 12
Основные виды геокриологических обстановок, влияющих на инженерногеологические условия месторождений
Основные
виды
I
II
III
Распространение и температура толщи многолетнемерзлых пород
I – А. Островное, мощность менее 50
м, температура около 00
II – А. Прерывистое, мощность менее
150 м, температура выше -3 0
III – А. Сплошное, мощность более
150 м, температура ниже -30
Льдистость пород
I – Б. Незначительная; видимых включений льда нет
II –Б. Средняя; тонкие прослойки льда,
содержание льда менее 30 % объема
III – Б. Значительная; содержатся прослойки, местами – залежи льда
Распространение толщи многолетнемерзлых пород оценивается следующим образом:
- островное – площадь разрозненных участков с многолетнемерзлыми
породами составляет менее 50 % площади месторождения;
- прерывистое – площадь с многолетнемерзлыми породами составляет
более 50 %;
- сплошное – толща многолетнемерзлых пород в пределах месторождения не имеет таликов.
Геокриологическая обстановка I вида, как правило, упрощает инженерно-геологические условия всех категорий. При разработке месторождений
обязательно меняется температурный режим и распространение толщи многолетнемерзлых пород. Однако это сопровождается незначительным изменением прочностных свойств пород.
Геокриологическая обстановка II вида преимущественно усложняет
инженерно-геологические условия в связи с изменением физикомеханических свойств пород и гидрогеологических условий при горных работах.
Геокриологическая обстановка III вида оказывает неоднозначное влияние на инженерно-геологические условия. Сплошное распространение, значительная мощность (разновидность III–А) упрощают инженерногеологические условия. Льдистые массивы пород и крупные залежи льда
(разновидность III–Б) существенно осложняет инженерно-геологические условия. Даже незначительное по времени изменение температурной обстанов133
ки вызывает вытаивание льда, сложные деформации пород и поступление талых вод в выработки.
При изучении инженерно-геологических условий в зоне многолетнемерзлых пород тщательно изучается геолого-структурная обстановка:
1. порядок напластования горных пород в разрезе мерзлой толщи, мощность отдельных слоев, их распространение по площади, приуроченность к
определенным геологическим структурам и элементам рельефа;
2. генезис пород, их состав и стратиграфическая принадлежность для
каждого слоя;
3. наличие мономинеральных скоплений льда, их генезис, форма, условия залегания, распространение по площади, текстурные особенности льда;
4. первичные текстурные особенности пород, а также трещиноватость,
кавернозность, сложение и т.д.;
5. криогенная текстура пород по слоям и их объемная льдистость;
6. тип промерзания (эпигенетический или сингенетический) различных
генетических разновидностей рыхлых четвертичных пород.
Температурный режим многолетнемерзлых пород изменяется как по
площади, так и в разрезе. При изучении температурного режима горных пород необходимо установить: среднегодовую температуру пород у подошвы
слоя годовых колебаний tср; распределение температур ниже слоя годовых
колебаний; распределение температур ниже подошвы мерзлой толщи.
Среднегодовая температура у подошвы слоя годовых колебаний устанавливается при изучении сезонного оттаивания и промерзания расчетными
способами, по данным ее измерений в горных выработках. При наличии режимных наблюдений tср устанавливается на основании анализа кривых распределения температур по глубине или термоизоплет. Для данного горизонта
постоянной в году считается та температура, колебания которой не превышают точности ее измерения (0,1–0,20С).
5.2.2. Экзогенные геологические процессы в криолитозоне
Экзогенные геологические процессы в криолитозоне нередко определяются гидрогеологическими условиями, которые рассмотрены в разделе
«Общая гидрогеология». Они тесно связаны с надмерзлотными, межмерзлотными и подмерзлотными водами [2].
Основными явлениями, связанными с изменением температуры горных
пород и влажности являются: морозные пучины, бугры пучения (булгуняхи –
гидролакколиты), полигональные образования термокарстовые, солифлюкционные, оползневые, наледные.
Морозное пучение интенсивно развивается в глинистых пылеватых и
сильно пылеватых породах за счет промерзания связанной воды и в связи с
этим – увеличения объема породы. Морозные пучины могут иметь высоту от
20–40 мм до 50 см. Коренные пучины очень опасны и требуют постоянного
134
наблюдения, для борьбы с ними выполняются профилактические и капитальные мероприятия.
Профилактические мероприятия заключаются в систематическом наблюдении за развитием пучин, в профилировании железнодорожного полотна
путем поднятия рельсов, в наблюдении за состоянием работы поверхностных
водоотводов.
Капитальные мероприятия включают осушение пучинистых участков,
замену пучинистых пород основной площадки, а также балластного слоя и
покрытий дорог.
Бугры пучения представляют собой крупные формы рельефа, встречаются по одному или группами. Высота их изменяется от 1 – 2 до 25 – 30 м, а
диаметр – от нескольких метров до 50. Их образование связано с наличием
таликов над многолетней мерзлотой. При промерзании талика образуется
замкнутая масса пород, в пределах которой возникает гидростатический напор, под действием которого породы вздымаются. По своему строению такие
бугры напоминают вулкан.
Полигональные образования – это разнообразные формы многоугольников плоских или несколько выпуклых, разграниченных морозобойными трещинами.
Термокарстовые явления – это вытаивание льда в толще пород, в результате чего образуются просадки и озера. Для образования и развития термокарста необходимо два условия: 1) наличие подземных льдов; 2) глубина
сезонного оттаивания пород должна превышать глубину залегания подземных льдов.
Солифлюкция представляет собой медленное течение почв, которые по
своему гранулометрическому составу представлены пылеватыми разностями;
при этом их естественная влажность должна достигать полной влагоемкости,
а уклон местности составлять 3–100. При таких углах склона солифлюкция
происходит, когда в результате оттаивания ледонасыщенных дисперсных
грунтов последние утрачивают структурные связи и переходят в вязкопластичное состояние.
В криолитозоне кроме описанных процессов происходят и другие:
оползни, сплывы, грязевые потоки, сели, лавины и др., которые широко развиты за пределами криолитозоны и рассмотрены в предыдущей теме. Климат
для них уже не является главным фактором.
Помимо естественных факторов на развитие экзогенных процессов оказывают и техногенные, вызванные, прежде всего, условиями строительства.
На режим мерзлоты оказывают влияние следующие факторы: 1) тепловой режим зданий и сооружений и технологические особенности эксплуатации; 2) снег отепляющее действует на породы; 3) вырубка леса, распашка земель; 4) грунтовые и поверхностные воды; 5) водохранилища; 6) плотность
застройки, ориентация по сторонам света; 7) санитарно-технические коммуникации.
135
Выбор принципа строительства определяется из условий наибольшей
технической целесообразности и экономической выгодности. Возможны два
случая: 1) строительство в условиях устойчивого режима мерзлоты, т.е. сохранение отрицательных температур; 2) когда мерзлоту поддерживать нельзя
– постепенное и предварительное оттаивание.
5.2.3. Особенности инженерно-геологических исследований в криолитозоне
В районах с многолетнемерзлыми породами при разведке месторождений используются традиционные инженерно-геологические приемы изучения, т.е. проводится инженерно-геологическая съемка, и устанавливаются
группы сложности месторождений:
1. Простые инженерно-геологические условия.
Стадия предварительной разведки. Инженерно-геологическая оценка
месторождения дается на основе:
- анализа материалов комплексной геологической съемки района;
- инженерно-геологической документации геологоразведочных скважин;
- использования опыта эксплуатации действующих карьеров и шахтаналогов;
- использования данных геофизических исследований;
- исследования физико-механических свойств пород (полевые методы).
Стадия детальной разведки. Инженерно-геологическая оценка месторождения дается на основе тех же работ, что и предварительной разведке, но
дополненных изучением физико-механических свойств пород на основе лабораторных анализов по сокращенному комплексу.
2. Средние по сложности инженерно-геологические условия.
Стадия предварительной разведки. Содержание исследований то же,
что и при простых условиях, но предусматривается:
- инженерно-геологическое маршрутное исследование района;
- изучение физико-механических свойств пород с применением полевых и лабораторных сокращенных анализов;
- изучение закарстованности пород в геологоразведочных скважинах (в
карстовых районах).
Стадия детальной разведки. Инженерно-геологические исследования
проводятся для пополнения и уточнения ранее полученных данных. Они особенно важны при большой тектонической нарушенности пород. Предусматривается бурение инженерно-геологических скважин. Изучение физикомеханических свойств пород производится на основе сокращенных, полных и
специальных видов анализов.
3. Сложные инженерно-геологические условия.
136
Стадия предварительной разведки. Содержание исследований то же,
что и при средних по сложности условиях, но со следующими дополнениями:
- инженерно-геологическая съемка масштаба 1:25 000 – 1:50 000;
- бурение специальных инженерно-геологических скважин;
- изучение физико-механических свойств пород с использованием сокращенных и полных анализов;
- в карстовых районах – изучение закарстованных пород.
Стадия детальной разведки. Инженерно-геологические исследования
проводятся для пополнения и уточнения материалов предварительной разведки с выполнением большого объема работ: бурение инженерно-геологических
скважин и изучение физико-механических свойств пород по данным сокращенных, полных и специальных видов анализов.
В зоне развития многолетнемерзлых пород ведутся дополнительные
инженерно-геокриологические исследования:
1. Простые инженерно-геологические условия.
Стадия предварительной разведки. Инженерно-геологическая оценка
месторождения дается на основе:
- анализа материалов комплексной геологической съемки района;
- инженерно-геологической съемки масштаба 1:25 000 – 1:50 000;
- геотермических наблюдений в отдельных разведочных скважинах (по
всей глубине), в которых рекомендуется также проводить годичный цикл наблюдений;
- применение геофизических методов исследований.
Стадия детальной разведки. Материалы, полученные при предварительной разведке, дополняются:
- инженерно-геокриологическими наблюдениями по большому числу
разведочных скважин, выработок (температурный режим в сухих и заполненных водой скважинах, положение ледяных пробок);
- открытыми исследованиями мерзлых связных и несвязных пород
(осадки при оттаивании, прочностные, фильтрационные свойства и др.).
2. Средние по сложности инженерно-геологические условия.
Стадия предварительной разведки. Содержание исследований то же,
что и при простых условиях, но с дополнением:
- инженерно-геокриологических наблюдений в опорных скважинах;
- бурение отдельных инженерно-геокриологических скважин, в которых
организуется 1–2-годичный цикл геотермических наблюдений;
- лабораторных исследований пород.
Стадия детальной разведки. Материалы, полученные при предварительной разведке дополняются:
- инженерно-геологической съемкой масштаба 1:25 000;
- инженерно-геокриологическими наблюдениями во многих разведочных скважинах и во всех горно-разведочных выработках;
137
- бурение инженерно-геокриологических скважин, в которых с постановкой в них геотермических наблюдений;
- опытными и лабораторными исследованиями пород (мерзлых, талых и
протаивающих);
- геофизическими исследованиями, уточняющими мощность и распространение по площади мерзлой толщи.
3. Сложные инженерно-геологические условия.
Месторождения этой категории изучаются примерно так же, как и месторождения средней сложности, но более детально, возможно, по отдельным
участкам.
Содержание и объемы инженерно-геологических работ при детальной
разведке устанавливаются специальными программами, разработанными посте составления ТЭО.
Результаты поэтапного изучения пород в криолитозоне обрабатываются
в камеральный этап, составляются специальные геологические колонки, где
отображаются все основные сведения по мерзлотному строению отдельных
пунктов наблюдений. Для участков развития слабольдистых скальных пород
такая колонка может содержать литологический разрез и график термических
изменений. По материалам изучения ключевых участков составляются их
инженерно-геокриологические разрезы.
Непосредственным выражением анализа и обобщения геокриологических исследований является составление инженерно-геокриологической карты исследуемой территории. Для территорий со сложными условиями составляется вспомогательная карта сезонного промерзания и протаивания пород.
На карте отображаются: 1) стратиграфо-генетический комплекс отложений
(цветом фона); 2) преобладающий состав отложений(штриховкой, принятой в
литологии); 3) влажность отложений (цветом литологических знаков); 4)
среднегодовые температуры воды – t или t0 при g = 30 на 1000 м (видом
сплошной штриховки) в пределах основных ландшафтных единиц; 5) амплитуды среднемесячных температур на поверхности почвы; 6) распространение
талых и мерзлых (сезонного протаивания) пород (цветом сплошной штриховки: синим – мерзлых, красным – талых); 7) распространение криогенных явлений (значками); 8) типы сезонного промерзания и протаивания пород в границах полученных контуров, а также соответствующие им глубины для естественных условий [16].
Составленная таким образом карта наглядно отражает региональные закономерности формирования глубин сезонного промерзания и протаивания
пород, показывая кроме величин глубин зависимость изменения их от колебания природных условий. Такая карта содержит возможность прогноза этих
глубин, т.е. учета тех изменений в природной среде, которые произойдут после ее оттаивания.
138
Тема 5.3. Инженерно-геологические исследования при разведке и
разработке месторождений полезных ископаемых
План:
5.3.1. Факторы, оказывающие влияние на инженерно-геологические условия
5.3.2. Типизация месторождений по инженерно-геологическим условиям
5.3.3. Требования к инженерно-геологическому изучению месторождений
5.3.1. Факторы, оказывающие влияние на инженерногеологические условия
В связи с ростом объемов геологоразведочных работ на месторождениях твердых полезных ископаемых, а также увеличением глубин разведки и
разработки месторождений возникает необходимость в повышенных требованиях к изучению их инженерно-геологических условий.
Инженерно-геологические работы при разведке месторождений выполняются с целью оценки инженерно-геологических условий месторождений
для обоснования утверждения запасов полезного ископаемого в ГКЗ и проектирования горных работ. На основе инженерно-геологического изучения могут быть выбраны оптимальные проектные решения, в связи с чем затраты на
инженерно-геологические работы оправдываются при строительстве и эксплуатации карьеров и шахт.
Для выполнения поставленной цели на месторождениях необходимо
изучать те природные условия (факторы), которые определяют условия
строительства. К ним относятся физико-географические условия, геологическое строение, гидрогеологические условия, геокриологическая обстановка.
Физико-географические условия района месторождения имеют большое значение для горных работ, особенно при разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом.
Климат. При намечаемой открытой разработке месторождения важное
значение имеют количество и интенсивность атмосферных осадков, их суточные максимумы, температура воздуха, преобладающее направление ветра,
режим накопления и схода снежного покрова, глубина сезонного промерзания и оттаивания пород.
Рельеф района определяет условия ведения горных работ и наземного
строительства. Например, в районах с гористым рельефом строительство часто затруднено из-за развития оползней, обвалов, селей и пр.
Растительный покров важен как фактор тепло- и влагообмена. В сочетании с другими факторами он оказывает влияние на инженерно-
139
геологические свойства пород, залегающих близ поверхности и на их промерзание.
Гидрологические условия весьма существенны в случае расположения
месторождения близ поверхностных водотоков, которые могут вызвать повышенную обводненость горных выработок.
Геологическое строение. В число геологических важнейших факторов
входят: геологическая структура месторождения, литологический и петрографический состав пород, их фациальная изменчивость, условия залегания
(ярусность массива горных пород, глубина залегания и мощность полезного
ископаемого) и тектоническая нарушенность.
Инженерно-геологические условия зависят от следующих факторов:
1. физико-механические свойств горных пород и полезного ископаемого в зависимости их от процессов выветривания, геотермических процессов,
глубины залегания;
2. неоднородности пород в массиве и наличие в них поверхностей ослабления различного генезиса;
3. современных физико-геологические явлений (карст, оползни, суффозия, многолетняя мерзлота и др.);
4. сейсмичности района;
5. наличия в пределах месторождения пород, характеризующихся особо
неблагоприятными свойствами (истинные плывуны и др.);
6. напряженного состояния массивов пород.
Гидрогеологические условия. Основные факторы: характер и степень
водоносности пород, количество и мощность водоносных горизонтов, их
фильтрационные свойства, условия питания и дренажа подземных вод и их
связь с поверхностными водотоками, величины гидростатического давления,
степень изоляции полезного ископаемого водоупорными толщами и др.
Инженерно-геологические исследования в криолитозоне рассмотрены в
предыдущей главе.
5.3.2. Типизация месторождений по инженерно-геологическим условиям
К инженерно-геологическим явлениям при горных работах относятся:
оползни бортов и откосов карьеров, обвалы, прорывы плывунов, суффозионные явления, пучение дна карьеров и др.
В подземных горных выработках могут возникать: деформации пород в
стенках и на забое шахтных стволов, пучение пород в почве выработок,
сдвижение и обрушение пород в кровле, горные удары и др.
В областях распространения многолетнемерзлых пород: пучение, просадки, течение, растрескивание пород и др.
Для того, чтобы учесть всю сложность инженерно-геологических условий при разработке месторождений полезных ископаемых должен оценивать140
ся комплекс природных факторов, которые будут влиять на эти условия.
Главнейшими из этих факторов являются:
1. инженерно-геологические группы пород (связные, несвязные, полускальные, скальные);
2. тектоническая нарушенность пород, их трещиноватость, выветрелость, закарстованность;
3. характер обводнености пород, величины гидростатических напоров,
коэффициенты фильтрации пород;
4. физико-механические свойства пород.
По сложности инженерно-геологических условий выделяются следующие категории: простые, средней сложности, сложные.
Простые инженерно-геологические условия характерны для месторождений, сложенных необводненными несвязными или твердо пластичными
связными породами, залегающими выше местного базиса эрозии; слабо обводненные и слабо выветрелыми, слабо дислоцированными полускальными
породами и массивными скальными породами.
Разработка месторождений простой группы сложности не вызывает
развития инженерно-геологических явлений, осложняющих ведение горных
работ.
Месторождения средней сложности инженерно-геологических условий
представлены обводненными несвязными и связными породами. Величины
гидростатических напоров не превышают 100 м. Несвязные породы характеризуются коэффициентами фильтрации не более 1 м/сут. Это могут быть полускальные дислоцированные породы выветрелые и трещиноватые, перекрытые сверху описанным выше комплексом пород; скальные породы с наличием
зон дробления и закарстованности.
При разработке будут возникать инженерно-геологические явления, осложняющие работы. Требуются мероприятия, направленные на повышение
устойчивости пород.
Сложные инженерно-геологические условия характерны для месторождений, по геологическому строению схожих с выше описанными, но вмещающие породы характеризуются высокой фациальной изменчивостью, гидростатическими напорами более 100 м. Осушительные мероприятия затруднены в связи со слабой водоотдачей пород.
При разработке таких месторождений будут возникать интенсивные
инженерно-геологические явления, в связи с чем требуются защитные мероприятия, вплоть до отвода рек.
5.3.3. Требования к инженерно-геологическому изучению месторождений
Цель инженерно-геологических работ при разведке меторождений полезных ископаемых является инженерно-геологическая характеристика ме141
сторождений с прогнозной инженерно-геологической оценкой условий их
вскрытия и эксплуатации для обоснования утверждения запасов полезного
ископаемого в ГКЗ и проектирования горных работ.
Инженерно-геологические работы, проводимые при разведке, являются
частью комплекса геологоразведочных работ (в том числе и гидрогеологических), выполняемого по проекту на разведку месторождения.
Инженерно-геологические исследования выполняются стадийно, что
отвечает сложившейся практике геологоразведочных работ. Рассмотрим инженерно-геологические исследования по стадиям разведки и освоения месторождений полезных ископаемых.
Поиски. Сбор и анализ фондовых материалов по аналогам изучаемого
месторождения. Инженерно-геологическая съемка масштабов 1:200 000 –
1:500 000. Определение и классификация основных инженерно-геологических
свойств массива на основании изучения естественных обнажений, картировочных выработок, скважин и лабораторных исследований.
Результаты исследований: инженерно-геологическая интерпретация материалов поисковой разведки. Площадь исследований совпадает с границами
поисковых работ. Методика исследований – натурные наблюдения, лабораторные исследования образцов пород.
Предварительная разведка. Инженерно-геологическая съемка в масштабах 1:25 000–1:100 000 – превышает границы разведочных работ, производятся контурные наблюдения и измерения. Определяются общие значения
показателей состава, состояния и свойств массивов пород на основе изучения:
естественных обнажений массивов пород, кернового материала разведочных
скважин по опорным профилям, кернового материала специальных инженерно-геологических скважин, геофизических исследований в опорных скважинах, лабораторные исследования. Предварительное инженерно-геологическое
районирование массивов пород месторождения и прилегающих участков.
Результаты
исследований:
выделение
элементов
инженерногеологической структуры массива горных пород, составление краткой характеристики трещиноватости и физико-механических свойств пород горногеологических ярусов. Методика исследований – лабораторные испытания
образцов пород.
Детальная разведка. Инженерно-геологическая съемка в масштабе
1:10000, определение базовых значений показателей состава, состояния и
свойств массивов пород на основе изучения: кернового материала разведочных и специальных инженерно-геологических скважин, геофизических исследований инженерно-геологического назначения, натурные и лабораторные исследования свойств массива и образцов; применение расчетных методов; инженерно-геологическое районирование месторождений и прилегающего района.
Проектирование горнодобывающего предприятия. Дополнительная
инженерно-геологическая съемка масштаба 1:10 000; на наиболее ответствен142
ных участках – масштаба 1:5 000 – 1:2 000. Уточнение значений отдельных
показателей состава, состояния и свойств массивов пород на основании натурных и лабораторных исследований, материалов по специально пробуренным инженерно-геологическим скважинам, определение расчетных значений
показателей свойств массивов горных пород. Исследования проводятся в границах предполагаемой разработки и строительства, в границах области влияния горных работ.
Строительство горнодобывающего предприятия. Натурные наблюдения и эксперименты с целью определения наиболее важных параметров
массива пород с помощью специальных скважин, горных выработок, контрольные определения показателей состава, состояния и свойств массива
горных пород по мере вскрытия месторождения. Исследования ведутся в пределах разработки месторождения и строительства предприятия.
Эксплуатация месторождения. Натурные наблюдения и эксперименты с
целью определения параметров специальных характеристик состава, состояния и свойств массива горных пород; контрольные определения показателей
состава, состояния и свойств массива горных пород; систематические наблюдения за развитием современных инженерно-геологических процессов в
массивах горных пород. Исследования ведутся на отдельных объектах специального назначения.
Ликвидация
горнодобывающего
предприятия.
Инженерногеологические исследования проводятся с целью вторичного использования
горных выработок и сооружений, рекультивации поверхности. Исследования
проводятся в пределах границ влияния горнодобывающих работ на поверхности и на отдельных объектах горных выработок.
Состав инженерно-геологических изысканий определяется в соответствии с СНиП II-02-96 «Инженерные изыскания для строительства. Основные
положения» [15]. Изыскания включают:
1. Сбор материалов производят на всех стадиях, что позволяет уточнить рабочую гипотезу об инженерно-геологических условиях района, наметить направление изысканий и установить их оптимальный объем.
2. Рекогносцировка выполняется путем маршрутных наблюдений, иногда включает проходку горных выработок, геофизические работы, опробование горных пород и подземных вод. Рекогносцировка позволяет уточнить собранные данные по инженерно-геологическим условиям района, выявить геодинамические особенности участков, определить проведение стационарных
наблюдений.
3. Съемка – это комплексное изучение геологических условий района.
Инженерно-геологическую съемку выполняют с использованием различного
рода выработок, вскрывающих геологический разрез. В съемку входят: дешифрирование аэро- и космофотоматериалов, маршрутные наблюдения, проходку горных выработок, геофизические исследования, натурные и лабора-
143
торные опробования пород, химические анализы подземных вод, опытнофильтрационные работы.
Масштаб съемки определяется целевым назначением, стадией проектирования, степенью изученности территории, сложностью и характером изменчивости инженерно-геологических условий.
4. Разведка распространяется на область влияния горнотехнического
сооружения, занимающего часть массива горных пород, в пределах которого
происходит существенное изменение состава, состояния и свойств горных
пород, а также возникают горно-геологические явления. Инженерногеологическая съемка включает проведение горных выработок, натурные и
лабораторные исследования свойств горных пород, опытно-фильтрационные
работы, стационарные наблюдения. Данные исследований используют для
прогнозных оценок состояния горных пород и горнотехнических сооружений.
Состояние массива горных пород оценивают по полученным параметрам физико-механических свойств горных пород, используя в качестве критерия классификационные показатели: классификация по трещиноватости, по
выветрелости, по деформируемости, по характеру нарушения сплошности
(характеристика нарушений).
Общая оценка инженерно-геологических условий при разработке месторождения открытым способом дается по результатам предварительной и
детальной разведки. Граница исследований в пределах горного отвода устанавливается по результатам предварительной разведки, выявляющей геологические особенности месторождения.
Условия залегания пород и инженерно-геологические свойства массива
определяют глубину исследований. Выделены три группы месторождений по
инженерно-геологическим условиям: 1) борт карьера сложен скальными породами; 2) борт карьера сложен полускальными породами; 3) борт карьера
сложен породами с горизонтальным или пологонаклонным залеганием.
Количество инженерно-геологических скважин выбирается в зависимости от группы месторождения и сложности их инженерно-геологических условий. Например, для первой группы при простом строении рекомендуется 2–
3 скважины на всем разведуемом поле, средней сложности – 3–4, при сложном строении – 4–6.
В эксплуатационный период структуру массива горных пород изучают
с помощью систематической документации вскрышных уступов в масштабе
1:50 – 1:200. При простом строении составляют геолого-структурную колонку, а на участках тектонических нарушений проводят сплошную бортовую
зарисовку.
Сложные условия добычи полезного ископаемого обуславливают необходимость инженерно-геологической съемки карьера масштабом 1:2 000. На
план выносят элементы залегания, трещиноватость и тектоническую нарушенность пород, литологический состав вмещающих пород, участки развития
инженерно-геологических процессов, состояние откосов и дна карьера, дре144
нажные и водоотводные сооружения, размер отвалов, их высоту, наличие деформаций, выходы подземных вод в бортах карьера.
Общая оценка инженерно-геологических условий при разработке месторождения подземным способом дается по результатам предварительной и
детальной разведки и используется при составлении проекта горного предприятия. По результатам изысканий выбирают тип и конструкцию горных сооружений, разрабатывают проекты строительных и горных работ, а также
комплекс защитных мероприятий.
Инженерно-геологические изыскания предусматривают бурение вертикальных контрольно-стволовых скважин для каждой проектируемой выработки, вертикальных или наклонных скважин по осевым линиям горизонтальных или вертикальных магистральных выработок, горизонтальных опережающих в направлении проектируемых выработок вкрест простирания
массива пород.
Результаты изысканий должны содержать привязанные в маркшейдерской сети параметры залегания литологически различающихся морфологических элементов массива горных пород, а также сведения о его подработке,
сдвижении, деформациях. По результатам инженерно-геологических исследований производят районирование и составляют прогноз изменение инженерно-геологических условий разработки месторождения или его участков.
145
Список литературы
Основная литература
1. Бондарик, Г. К. Инженерно-геологические изыскания: учебник / Г. К.
Бондарик, В. В. Пендин, Л. А. Ярг. – М. : КДУ, 2008 – 424с.
2. Всеволжский, В. А. Основы гидрогеологии: учебник / В. А. Всеволжский. – М. : МГУ, 2007. – 448 с.
3. Гальперин, А. М. Гидрогеология и инженерная геология: учебник для
ВУЗов / А. М. Гальперин, В. С. Зайцев, Ю. А. Норватов. – М. : Недра, 1989. –
383 с.
4. Ломтадзе, В. Д. Инженерная геология. Инженерная петрология / В.
Д. Ломтадзе. – Л. : Недра, 1984. – 528 с.
5. Мироненко, В. А. Динамика подземных вод: учебник для ВУЗов / В.
А. Мироненко. – М. : МГУ, 2001. – 509 с.
Дополнительная литература
6. Белоусова, А. П. Качество подземных вод: современные подходы к
решению / А. П. Белоусова. - М. : Наука, 2001. – 339 с.
7. Гальперин, А. М. Геомеханика открытых горных работ: учебник для
ВУЗов / А. М. Гальперин. – М. : МГУ, 2003. – 473 с.
8. Зекцер И. С. Подземные воды как компонент окружающей среды / И.
С. Зекцер. – М. : Научный мир, 2001. – 328 с.
9. Ершов, Э. Д. Общая геокриология: учебник / Э. Д. Ершов. – М. :
МГУ, 2002. – 682 с.
10. Иванов, И. П. Инженерная геодинамика / И. П. Иванов, Ю. Б.
Тржцинский. – СПб. : Наука, 2001. – 404 с.
11. Калинин, Э. В. Инженерно-геологические расчеты и модерирование
/ Э. В. Калинин. – М. : МГУ, 2006. – 256 с.
12. Платонов, М. А. Основы инженерной геологии. Изд-во Инфра-М,
2007. - 192 с.
13. Самарина, В.С. Гидрогеохимия / В.С. Самарина. – Ленинград: ЛГУ,
1977. – 359 с.
14. СанПиН 2.1.4. 1074-01 «Вода питьевая, гигиенические требования к
качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль
качества».
15. СНиП 11-02-96 «Инженерные изыскания для строительства. Основные положения».
16. Трофимов, В. Т. Инженерная геодинамика (инженерная геология) /
В. Т. Трофимов. – М. : МГУ, 2005. – 1024 с.
17. Чаповский, Е. Г. Лабораторные работы по грунтоведению и механике грунтов / Е. Г. Чаповский. – М. : Недра, 1975. – 304 с.
146
18. Шварцев, С. А. Общая гидрогеология / С. А. Шварцев. – М. : Недра,
1996. – 423 с.
19. Шестаков, В. М. Гидрогеомеханика: учебное пособие / В. М. Шестаков. – М. : МГУ, 1998. 72 с.
147