Искусственное восполнение запасов подземных вод и методика проведения гидрогеологических исследований

 

В настоящее время в связи с интенсивной отработкой подземных вод, ухудшением в ряде случаев качества отбираемой воды возникает насущная потребность в искусственном восполнении запасов подземных вод.

Искусственное восполнение запасов подземных вод представляет из себя инженерное мероприятие, позволяющее перевести часть поверхностного стока в подземный, который осуществляется для следующих целей:

- увеличение производительности эксплуатируемых водозаборов;

- стабилизация работы водозаборов;

- уменьшение развития депрессионных воронок;

- накопление в подземных коллекторах значительных резервных и стра­тегических запасов подземных вод хорошего качества;

- улучшение качества подземных вод путем их разбавления пресными по­верхностными;

- регулирование поверхностного стока и последующего его использова­ния.

Мероприятия по искусственному восполнению запасов обычно являются весьма эффективными и позволяют более полно и комплексно использовать водные ресурсы.

Технология искусственного восполнения запасов сводится к одному из двух методов:

- обеспечение условий свободной инфильтрации поверхностных вод в во­доносный горизонт через зону аэрации;

- принудительная подача поверхностных вод в пласт посредством подачи через скважины, шахты, колодцы (рис.8.4).

 

Рис. 8.4. Классификация методов искусственного восполнения запасов подземных вод:

 

Прямые методы: а – бассейновый; б – затопления; в – нагнетания;

г – регулирования подземного стока.

Косвенные методы: а – регулирование поверхностного стока водохранилищами;

б – перераспределение поверхностного стока и развитие естественных депрессий;

в – орошение; г – обводнение (I – грунтовые воды питают реки; II – река питает грунтовые воды); д – захват подрусловых вод инфильтрационными водозаборами; 1 – плотина;

2 – водозаборная скажина; 3 – нагнетательная скважина; 4 – регулятор водоотбора;

5 – подземная плотина; 6 – самотечный водовод; 7 – земляная плотина; 8 – приемный колодец; 9 – водосборные галереи; 10 – канал; 11 – насосная станция; 12 – скважины;

13 – сброс воды; 14 – луч скважины

 

В качестве источников восполнения запасов применяют речные, ливневые, паводковые, озерные, дренажные, сбросные, сточные и другие воды.

При организации системы искусственного восполнения запасов применя­ется три типа сооружений:

- инфильтрационные (бассейны, каналы, площади инфильтрации, русла рек, овраги, балки, шахты, колодцы);

- водозаборные (каптажные);

- вспомогательные (трубопроводы, очистка, закачка воды и пр.).

По конструктивным особенностям способы искусственного восполнения запасов подземных вод можно подразделить на три группы:

1) поверхностных открытых сооружений;

2) подземных сооружений;

3) комбинированных сооружений.

К первой группе относятся инженерные сооружения, предназначенные для искусственного восполнения запасов подземных вод путем площадной инфильтрации поверхностных вод, к которым относятся бассейны, траншеи, каналы, галереи и др. (рис. 8.5). Основной их особенностью является расположение в непосредственной близости от водозабора подземных вод. Инфильтрационные сооружения, как правило, углубляются ниже почвенного слоя на 1 – 3 м в хорошо проницаемые породы зоны аэрации. Наиболее распространенными размерами инфильтрационных бассейнов являются ширина 15 – 20 м и длина 250 – 300 м с глубиной заполнения водой 1 – 2 м. Количество таких бассейнов может быть от 3 – 5 до 10 – 15 и более. Несмотря на то, что наиболее приемлемой мутностью воды для инфильтрации в бассейнах является 10 – 20 мг/дм³, в работе бассейна появляется период, когда образовавшаяся илистая пленка на его дне увеличивает гидравлическое сопротивление и снижает общую производительность. В таких случаях бассейн останавливается на очистку и регенерацию фильтрационного слоя. Период времени от начала пуска бассейна до его остановки на ремонт для очистки называется инфильтрационным циклом питания.

 

Рис. 8.5. Схема искусственного восполнения запасов прдземных вод:

 

1 – водоем; 2 – водозабор поверхностных вод; 3 – насосная станция первого подъема;

4 – трубопроводы; 5 – станция предварительного улучшения воды;

6 – инфильтрационные бассейны; 7 – водозабор подземных вод; 8 – скважины водозабора;

9 – насосная станция второго подъема

 

При благоприятных природных условиях возможно создание инфильтрационного питания в зонах периодического или постоянного затопления пойменных и надпойменных террас речных долин. Для этого создаются оградительные дамбы или плотины. При этом достигается интенсификация инфильтрации речных вод непосредственно в зоне формирования депрессионной воронки действующего водозабора.

Таким образом, первая группа технических средств, предназначенная для искусственного восполнения запасов грунтовых вод, залегающих неглубоко от поверхности, имеет следующие достоинства:

- отсутствие требований к тщательной предварительной подготовке воды, предназначенной для инфильтрации;

- простые методы восстановления производительности инфильтрационных сооружений (механическое удаление илистой пленки);

- надежность и практически неограниченное время эксплуатации;

- возможность организации инфильтрационного питания на большой площади.

Несмотря на очевидность простоты и эффективности организации инфильтрационных сооружений первой группы, их использование лимитируется следующими определенными условиями:

- необходимостью иметь свободную территорию, геолого-гидрогеологические условия которой являются благоприятными для обеспечения инфильтрации поверхностных вод;

- необходимостью остановки части инфильтрационных сооружений для периодической чистки, что должно учитываться при проектировании и проведении разведочных гидрогеологических работ;

- влиянием климатических условий, и в частности, возможностью полного промерзания воды в инфильтрационных бассейнах;

- сложной организацией зон санитарной охраны при большом количестве инфильтрационных сооружений и их большой площади;

Вторая группа технических средств искусственного восполнения подземных вод представлена инфильтрационными сооружениями подземного типа – буровыми скважинами для наливов и нагнетаний, шурфами и горными выработками. Эти сооружения предназначены для инфильтрации внутри проницаемых пород в виде точечного нагнетания, называемого иногда “внутригрунтовой инъекцией”. Этот способ применяется главным образом для искусственного восполнения эксплуатационных запасов подземных вод глубоко залегающих водоносных горизонтов или с целью создания линз пресных вод в породах зоны аэрации.

Эффективность искусственного восполнения запасов подземных вод зави­сит от ряда факторов:

- физико-географических (климат, осадки, рельеф, промерзание грунтов и т.п.);

- геологических (структура, наличие перекрывающих отложений);

- гидрогеологических (свойства пород);

- гидрологических.

Для выяснения всех этих факторов необходимо проводить целый комплекс исследований как в период проектирования, так и при осуществлении по­левых работ. Проведение исследования должно способствовать решению следующих задач для организации искусственного восполнения запасов:

- выбор перспективных участков и объектов;

- выбор источника искусственного восполнения;

- оценка качества и количества воды источника;

- оценка природных условий с точки зрения влияния на способ и техно­логию восполнения;

- выбор способа восполнения;

- прогноз работы водозабора при восполнении;

- оценка эксплуатационных запасов;

- оценка экономической эффективности мероприятий.

Поисково-оценочный этап сопровождается геолого-гидрогеологической и геофи­зической съемкой с анализом возможных источников восполнения, осущест­вляется комплекс режимных наблюдений, лабораторные исследования.

Работы ведутся как на месте раз­мещения водозаборных, так и в местах инфильтрационных сооружений. Полу­чаемые сведения должны обеспечить обоснование условий работы инфиль­трационных сооружений и оценку эксплуатационных запасов подземных вод с учетом их искусственного восполнения. На этом этапе наряду с общеп­ринятыми исследованиями проводится изучение источника восполнения, оценка фильтрационных свойств зоны аэрации и т.п.

В результате работ намечается участок, источник и схема искусственного восполнения запасов подземных вод и обосновывает­ся экономическая целесообразность проведения разведки.

На этапе разведки осуществляется бурение разведочных, разведочно-эксплуатационных и наблюдательных скважин, проходка шурфов, котлованов, бассейнов, опытно-фильтрационные работы (откачки, наливы в шурфы и нагнетания в скважины), наблюдения за режимом подземных вод, гидрометрические наблюдения. Скважины закладываются по линиям намечае­мых инфильтрационных и водозаборных бассейнов.

Целью работ на этой стадии является оценка эксплуатационных запасов подземных вод с учетом искусственного восполнения с детальностью, обеспечивающей выделение капиталовложений на проектирование и строи­тельство системы искусственного восполнения.

Технико-экономическое обоснование целесообразности использования ме­тода искусственного восполнения осуществляется оценкой размеров капи­таловложений в строительство проектируемых объектов и эксплуатационных издержек, учитывающих эксплуатационные расходы на годовой период. Эти показатели определяются как для вариантов с искусственным восполнени­ем, так и без него.

Конечной целью поисково-разведочных работ, выполняемых для искусственного восполнения подземных вод, является оценка их эксплуатационных запасов. Разработка технологических схем инженерных сооружений на водозаборе тесно увязывается с геологическими, климатическими, гидрологическими и гидрогеологическими характеристиками. В свою очередь выбранный способ восполнения, его технологическая схема определяют методику проведения основных видов поисково-разведочных гидрогеологических работ.

 

 

8.5. Гидрогеологические исследования в связи с орошением и осушени­ем земель

 

Одним из основных вопросов, позволяющим коренным образом улучшить плодородие земель и поднять их урожайность, является мелиорация. Специ­алисты-гидрогеологи являются основными исполнителями мелиоративных программ в части научного гидрогеологического обоснования проектируе­мых мероприятий и рационального использования и регулирования режима подземных вод. Мелиорация включает в себя мероприятия как по орошению, так и по осушению земель.

Под орошением понимается искусственное увлажнение почвы с целью по­вышения ее плодородия. Главным образом необходимость в орошении ощуща­ется в южных засушливых районах – зоне недостаточного увлажнения.

Необходимость оросительных мероприятий возникает при засушливом ре­жиме земель, когда коэффициент водного баланса, предложенный А.Н.Костя­ковым, меньше единицы:

 

, (8.5)

 

где К_В – коэффициент водного баланса;

αN – приход влаги в почву за определенный период;

N – слой атмосферных осадков;

α – коэффициент инфильтрации;

V – расход влаги почвой за тот же период.

Гидрогеологические исследования в связи с орошением земель могут иметь двоякое направление:

- поисков и разведки источников воды для орошения, если ими являются подземные воды;

- гидрогеологических исследований зоны аэрации и подземных вод на самой орошаемой площади.

Характер исследований при решении вопросов этих двух направлений столь различен, что их приходится рассматривать раздельно.

Изучение подземных вод как источников орошения осуществляется по той же схеме и методике, как и для целей водоснабжения. Эта методика де­тально рассмотрена выше и здесь не повторяется. Остановимся лишь на некоторых специфических моментах.

Перед началом исследований необходимо установить количество потреб­ной воды для орошения и требования, предъявляемые к ее качеству.

Потребное количество воды определяется построением графика поливов и его увязкой. Более простым, но приближенным способом потребность в во­де можно определить по оросительному гидромодулю, пользуясь формулой

 

, (8.6)

 

где Q – потребный расход воды на орошение;

q₀ – оросительный гидромодуль (0,2 – 1,0 дм³/с на 1 га);

F – орошаемая площадь.

Большое внимание должно уделяться изучению режима источников воды для орошения, так как они должны обеспечивать орошение именно в веге­тационный период развития растений. При этом надо учитывать, что зимой вода для орошения использоваться не будет и в этот период будет проис­ходить восполнение запасов подземных вод в водоносном пласте.

Требования к качеству оросительной воды рассматриваются в курсе "Ме­лиоративная гидрогеология". Для оценки качества воды здесь приходится тщательно изучать ее солевой состав, температуру и определять иррига­ционный коэффициент.

Состав и объем изысканий на орошаемых массивах зависит от характера проектируемых сооружений, величины орошаемой площади, степени сложнос­ти гидрогеологических условий района и от степени предыдущей его изу­ченности.

Работы ведутся в несколько этапов:

- схема;

- ТЭО – технико-экономическое обоснование;

- технический проект;

- рабочие чертежи.

При этом схема и ТЭО являются предстадийными этапами, а технический проект и рабочие чертежи – стадиями исследований.

Ниже приводится лишь краткое описание выделенных этапов, так как подробная характеристика всех необходимых гидрогеологических работ приводится в специальном руководстве.

Цель работы на этапе "схема" - предварительная оценка изучаемой тер­ритории, проведение районирования, разработка программ мелиоративных мероприятий. При этом используются мелкомасштабные и среднемасштабные гидрогеологические карты (масштабов 1:2 500 000, 1:1 000 000, 1:500 000 и 1:200 000) и все име­ющиеся геологические и гидрогеологические сведения по району. Полевые работы на данном этапе обычно не проводятся. Отчетным материалом явля­ется схематическая карта гидрогеолого-мелиоративного районирования с пояснительной запиской.

В технико-экономическом обосновании приводится сравнительная оценка различных вариантов освоения земель, обосновывается экономическая це­лесообразность и хозяйственная необходимость проектирования и орошения земель. Здесь уже должны быть выявлены гидрогеологические условия мас­сива, изучены фильтрационные свойства пород и составлен предваритель­ный прогноз режима подземных вод и водно-солевого баланса. Для этого проводится комплексная гидрогеологическая съемка в масштабе 1:200 000 - 1:100 000. Площадь съемки на 30 – 50 % больше площади орошае- мого массива. Съемка сопровождается:

- геофизическими исследованиями по 2 – 3 опорным профилям. Расстояние между профилями 10 – 12, максимум 15 – 18 км;

- бурением опорных скважин на профилях глубиной 300 – 500 м, разве­дочно-картировочных скважин на площади массива глубиной 50 – 150 м, кар­тировочных скважин глубиной до 20 м. Количество скважин примерно опре­деляется исходя из следующей нормы: одна скважина на 100 – 200 км²;

- проходкой шурфов, канав, расчисток;

- пробными откачками из скважин для оценки фильтрационных свойств пород;

- опытными наливами в шурфы;

- закладкой режимной сети и началом стационарных наблюдений.

В результате проведенных работ составляется отчет, к которому при-кладываются карты:

- фактического материала;

- ландшафтно-индикационная;

- геоморфологическая;

- гидрогеологическая;

- карта районирования для целей мелиорации.

Исследования под технический проект проводятся на массивах, орошение которых признано целесообразным в результате предыдущих работ.

Здесь уточняются гидрогеологические условия земель, прогноз режима уровня и солевого баланса, изучается режим и баланс подземных вод, выделяются участки, на которых требуется проведение мелиора­тивных мероприятий, разрабатываются виды их и оценивается эффектив­ность различных вариантов. Здесь же уточняется количественная оценка гидрогеологических параметров, нужных для расчета, и дается качествен­ный прогноз изменения гидрогеологических условий земель под влиянием орошения.

Работы на этой стадии являются наиболее важными и ответственными, так как по результатам их делается окончательное решение о проведении орошения и оценивается его эффективность.

Работы ведутся гидрогеологической съемкой 1:50 000-1:25 000 масштаба. Съемка сопровождается следующими работами:

- геофизическими исследованиями, проводимыми по профилям с расстоя­нием между ними 3 – 5 км;

- бурением скважин, закладываемых на профилях при расстояниях между ними 2 – 3 км;

- опытными работами по определению действительной скорости потока, направления его, скорости инфильтрации в зоне аэрации и т.п.;

- опытными откачками (одиночными, кустовыми) из скважин;

- режимными наблюдениями;

- лабораторными работами по определению качества воды и характерис­тик грунта.

Основной объем работ на стадии технического проекта сосредотачивает­ся преимущественно на наиболее типичных (ключевых) участках. Ключевые участки выделяются на основании карты гидрогеолого-мелиоративного районирования и должны в себе содержать все основные элементы района. Результаты, полученные на этих ключевых участках, потом переносятся на весь район. Количество участков и их площадь определяется сложностью геологического строения и гидрогеологических условий района.

При производстве изыскательских работ особое внимание уделяется по­лучению исходных материалов для составления уравнений водного и соле­вого баланса орошаемого массива.

 

Уравнение водного баланса имеет вид

 

μ∆Н=(N+Y₁+W₁+Z₁)-(Y₂+W₂+Z₂)±(V+F) . (8.7)

 

В первых скобках правой части уравнения дается приходная часть ба­ланса, во вторых – расходная, а в третьих – изменения в запасах воды,

где μ – водоотдача или недостаток насыщения;

∆H – изменение уровня грунтовых вод (амплитуда) за данный промежуток времени;

μ∆H – количество воды, поступившей в пласт или отданной пластом за данный промежуток времени;

N – слой атмосферных осадков;

Y₁ – количество воды, поступившей в ирригационную сис­тему у головного сооружения;

W₁ – приход воды подземным потоком;

Z₁ – конденсация воды в почве;

Y₂ – количество воды, стекающее через сбросную сеть, включая поверхностный сток;

W₂ – сток воды в виде подземного потока;

Z₂ – испарение с поверхности почвы, с водной поверх­ности и транспирация растениями;

V – изменение запасов воды в зоне аэрации;

F – изменение запасов воды в поверхностных водоемах, а также в виде снега и льда.

Все величины, входящие в рассматриваемое уравнение, выражены высотой слоя воды в миллиметрах.

Решив уравнение водного баланса в отношении ΔН, можно предсказать положение уровня грунтовых вод на любой момент времени, т.е. прогнозировать изменение уровня подземных вод.

Под солевым балансом понимают соотношение между поступлением солей в почву и расходованием их (в т/га) за определенный период.

Уравнение солевого баланса зоны аэрации имеет вид

 

S₂-S₁=S₃+S₄+S₅+S₆+S₇-S₈-S₉ , (8.8)

 

где S₁ – начальный запас солей в зоне аэрации на площади в 1 га,

который определяется по формуле

 

, (8.9)

 

где a – засоленность грунтов, %;

γ – объемный вес сухого грунта;

h – мощность зоны аэрации, м.

S₂ – тоже конечный запас ( на конец рассматриваемого перио­да);

S₃ – поступление солей с атмосферными осадками;

S₄ – поступление солей с оросительной водой;

S₅ – привнос солей ветром;

S₆ – поступление солей с удобрениями;

S₇ – поступление солей из водонасыщенной зоны путем испаре­ния и транспирации;

S₈ – вынос солей просачивающимися атмосферными осадками и оросительными водами вниз в водоносный горизонт;

S₉ – вынос растениями солей с урожаем.

Для прогноза солевого баланса зоны аэрации рассмотренное выше урав­нение решается относительно (S₂ – S₁). Все же остальные величины уравнения определяются по результатам проведенных работ.

Составление и анализ уравнений водного и солевого баланса для ороша­емых массивов имеют очень важное значение, так как по ним можно:

- дать прогноз изменения уровня и засоленности почв, т.е. предска­зать возможность заболачивания и засоления земель;

- наметить необходимые мероприятия для недопущения вредных воздейс­твий;

- разработать наиболее рациональный режим орошения.

По результатам проведенных работ на стадии технического проекта сос­тавляется отчет с приложением следующих карт:

- ландшафтно-индикационной;

- карты глубин залегания подземных вод и их минерализации;

- химического состава подземных вод;

- карты геолого-генетических комплексов;

- состава и засоления пород;

- гидродинамической карты;

- карты засоления почво-грунтов зоны аэрации;

- карты гидрогеологического районирования для целей мелиорации (с выделением типичных участков).

Исследования на стадии рабочих чертежей производятся в основном для уточнения отдельных вопросов гидрогеологии. Здесь используются все ма­териалы предыдущих исследований и наблюдения за режимом подземных вод в период эксплуатации и на опытно-эксплуатационных участках, уточняет­ся прогноз и оценка эффективности действия оросительных систем.

Необходимость осушительных мероприятий возникает при переувлажненном режиме земель, когда коэффициент водного баланса больше единицы:

. (8.10)

 

Объектами осушительных мелиораций являются типичные болота, заболоченные земли и подтопляемые земли. Болота образуются под влиянием це­лого ряда факторов. Под воз­действием подземных вод болота образуются в следующих случаях:

- при непосредственном выходе грунтовых вод на поверхность при зат­рудненном стоке;

- при близком залегании грунтовых вод к поверхности;

- под влиянием напорных вод, имеющих выход на поверхность через гид­рогеологические окна;

- при усиленной инфильтрации большого количества атмосферных осадков и замедленном их подземном стоке в дренирующие понижения и незначительном при этом испарении.

Гидрогеологические исследования на осушаемых массивах ведутся по тем же этапам и примерно по той же методике, что и для массивов орошения. Учитывая это методика проведения работ приводится здесь очень кратко, тем более что по этим вопросам имеется специальная литература.

При работах на стадии "схема" проводится предварительная оценка осу­шаемой территории, намечается программа осушительных мероприятий, де­лается районирование. Для решения этих вопросов используются мелко­масштабные карты 1:2 500 000-1:500 000 масштаба и имеющиеся сведения по гидрогеологии района.

Исследования на этапе технико-экономического обоснования должны выя­вить гидрогеологические условия переувлажненных земель и типы водного питания их. Без выяснения причин заболачивания, а ими не всегда явля­ются подземные воды, бороться с заболачиванием невозможно.

После проведения минимального объема полевых работ и обобщения полу­ченных данных производится районирование территории в масштабе 1:200 000, на основании чего устанавливается очередность осушения и на­мечаются соответствующие мелиоративные мероприятия.

На стадии технического проекта изыскания проводятся на выбранных массивах первоочередного осушения. Здесь уже детально должны быть изу­чены гидрогеологические условия переувлажненных земель, уточнены типы водного питания, сделана их количественная оценка, изучен режим под­земных вод. Все работы выполняются применительно к крупномасштабной гидрогеологической съемке 1:50 000-1:10 000 масштаба. Скважины или шурфы закладываются по сетке на расстояниях от 100 до 500 м. По проведенным работам выбирается наиболее рациональная схема осушения и дается ис­ходный материал для ее расчета, делается расчет дренажа, составляется прогноз изменения режима подземных вод. На стадии рабочих чертежей уточняются те или иные элементы гидрогеологических условий.

 

8.6. Гидрогеологические исследования при поисках, разведке и разра­ботке месторождений твердых полезных ископаемых

 

При добыче полезных ископаемых приходится вести борьбу с рудничными водами.

Под рудничными или шахтными водами понимаются подземные или поверх­ностные воды, проникающие в горные выработки и оказывающие определен­ное влияние на условия эксплуатации месторождения. Изучением рудничных вод занимается отрасль гидрогеологии – рудничная гидрогеология. Зада­чами рудничной гидрогеологии являются:

- изучение гидрогеологии разведуемых месторождений и

гидрогеологи­ческая характеристика их;

- гидрогеологическое обоснование работ по проходке шахт и карьеров;

- наблюдение за рудничными водами на существующих рудниках и выясне­ние режима водопритока;

- проведение систематических мер борьбы с рудничными водами при экс­плуатации месторождений;

- изучение химизма подземных вод, как поисковых признаков месторож­дений некоторых цветных металлов и редких элементов.

Обводненность месторождений полезных ископаемых неодинаковая. Она зависит от ряда факторов:

- климатических условий района, главным образом от количества выпа­дающих атмосферных осадков и величины испарения;

- рельефа местности, оказывающего влияние на интенсивность поверх­ностного стока, и тем самым влияющего на величину инфильтрации атмос­ферных осадков;

- гипсометрического (высотного) положения месторождения по отношению к местному базису эрозии;

- фильтрации вод из поверхностных водотоков и водоемов, если они расположены поблизости от месторождения;

- литологического состава пород, слагающих месторождение;

- тектоники района, степени трещиноватости и раздробленности пород;

- глубины разработок по отношению к статическому уровню подземных вод;

- степени обнаженности месторождения горными выработками.

Обводненность горных выработок может оцениваться следующими показателями:

- абсолютной величиной водопритока, обычно, в м³/час;

- коэффициентом водообильности (К), представляющим собой отношение количества откачиваемой воды (в м³) к количеству добытого за тот же промежуток времени (обычно за год) полезного ископаемого Р (в тоннах):

 

. (8.11)

 

Значения К изменяются в больших пределах от нуля (в сухих выработках) до 300 м³/т и выше (в сильно обводненных выработках);

- коэффициентом удельной водообильности, представляющем собой отно­шение количества откачиваемой воды к площади разработок. Обычно приток принимается в м³/час, а площадь в 1000 м².

Из большого числа существующих классификаций месторождений полезных ископаемых по степени обводненности рассмотрим только одну, предложенную П.П.Климентовым, в которой выделяются:

- месторождения, в геологическом разрезе которых широко развиты карс­тующие породы. Эти месторождения отличаются наиболее высокой водоо­бильностью, особенно при наличии гидравлической связи подземных вод с поверхностными. Притоки воды на таких месторождениях достигают 2000 – 5000 м³/час и более, а коэффициент водообильности до 200 – 300;

- месторождения, в геологическом разрезе которых преобладают мощные толщи рыхлых несцементированных зернистых пород (песчаных, песчано-га­лечниковых, песчано-глинистых). Обводненность месторождений этого типа неравномерная и зависит от литологического состава пород и физико-ге­ографических условий района (климата, наличия поверхностных водотоков и водоемов). При слабопроницаемых породах обводненность месторождений низкая; притоки обычно не превышают 100 м³/час, а коэффициент водоо­бильности не более 2. При хорошо проницаемых породах обводненность месторождений увеличивается, притоки возрастают до 200 – 300 м³/час, а коэффициент водообильности до 15 – 20;

- месторождения, в геологическом разрезе которых преобладают скальные трещиноватые породы. Обводненность месторождений этого типа довольно разнородна, зависит от степени трещиноватости и тектони­ческой раздробленности скальных пород, а также от физико-географичес­ких условий района. Притоки в выработки обычно не превышают 100 м³/час, а коэффициент водообильности – 2, иногда же эти значения уве­личиваются соответственно до 500 м³/час и 10 – 15;

- месторождения с любым геологическим разрезом, расположенные на меж­дуречных массивах с относительно высокими отметками или в горных райо­нах с сильно пересеченным рельефом. Такие месторождения располагаются выше местного базиса эрозии, хорошо дренируются и поэтому являются слабо обводненными;

- соляные месторождения. Соляные залежи обладают высокой пластич­ностью, благодаря чему все возникающие трещины быстро смыкаются, само­залечиваются. Поэтому в монолитных соляных залежах подземные воды от­сутствуют, а сами месторождения сухие;

- месторождения в районах многолетней мерзлоты. Большинство место­рождений этого типа являются слабо обводненными или безводными. Исклю­чением являются месторождения, питающиеся подмерзлотными водами и мес­торождения, расположенные на побережье северных морей и питаемые морс­кими минерализованными водами.

Борьба с рудничными водами может производиться двумя путями:

- водоотливом. При этом вода, поступающая в горные выработки, захваты­вается какими-либо приемными устройствами и при помощи насосов выдает­ся на поверхность. Это пассивный способ борьбы с водой и может приме­няться только на слабо обводненных месторождениях;

 

- осушением. В этом случае применяются устройства, перехватывающие поверхностные и подземные воды еще до поступления их в горные выработ­ки.

Осушение является активным способом борьбы с обводнением, так как при этом осушаются не только сами горные выработки, но и породы в ра­йоне месторождения.

При водоотливе подземная вода, поступающая из кровли, почвы, стенок, забоев в нарезных и очистных выработках поступает в водосборные кана­вы. Канавы имеют уклон, равный уклону основной выработки, и располагают­ся сбоку от нее. Из водосборных канав вода самотеком поступает в водос­борник, а из него насосами перекачивается на поверхность.

Водосборник служит резервуаром для временного хранения воды, емкость которого должна обеспечивать 8 – 10 – часовой приток воды в шахту. Одновременно он является отстойником для очистки воды от взвешенных на­сосов и накопления осадка, проходится поперечным сечением обычных штреков и может быть очень большой длины.

Осушение месторождений осуществляется:

- ограждением горных выработок от поверхностных вод;

- понижением уровня подземных вод ниже горизонта разработок.

Ограждение горных выработок от поверхностных вод заключается в следующем:

- в отводе поверхностного стока, формирующегося за счет атмосферных осадков за пределы месторождения. Такой отвод обычно производится на­горными канавами, нарезаемыми по периметру месторождения с нагорной стороны;

- в осушении заболоченных участков, прилегающих к горным выработкам с помощью дренажных канав;

- в отводе русел рек и ручьев, протекающих поблизости с разработками;

- в спрямлении и очистке русел рек и ручьев для более быстрого от­вода поверхностного стока;

- искусственном водоотливе из водоемов, не имеющих стока путем пере­качки воды насосами.

Осушение путем понижения уровня подземных вод может осуществляться подземным и поверхностным способами.

Подземный способ осушения осуществляется из горных выработок с по­мощью следующих устройств:

- дренажных штреков, представляющих собой горизонтальные горные вы­работки. Они обычно ведутся на 3 – 5 м ниже эксплуатационного штрека и на 100 – 150 м впереди его;

- забивных фильтров – перфорированных труб диаметром 1 – 2 и общей длиной не более 10 – 15 м. Трубы забиваются в кровлю штрека, вскрывают водоносный горизонт и осушают его. Расстояния между фильтрами 10 – 35 м;

- сквозных фильтров – скважин, пройденных с поверхности до горной выработки и оборудованных на интервалах водоносных горизонтов фильтра­ми для отвода воды в горную выработку. Расстояние между сквозными фильтрами 100 – 200 м;

- поглощающих скважин, пройденных с поверхности и вошедших в погло­тительный пласт, расположенный ниже горизонта разработок. Эта скважина оборудуется фильтрами на все пересекаемые водоносные горизонты и воды, самотеком перетекает с верхних водоносных пластов в нижний - поглощаю­щий. Поглощение скважины можно применять при благоприятных для этого гидрогеологических условий, т.е. при наличии ниже горизонта разработок хорошего коллектора с высокими водопоглотительными свойствами;

- дренажных канав глубиною 1 – 2 м, располагаемых посередине штрека. Канавы дренируют близко подступающие к почве штрека и самотеком отво­дят их в водосборник;

- понижающих колодцев, проходимых в почве штреков на глубину 3 – 5 м. Расстояние между колодцами 50 – 100 м по длине штрека. Из колодцев вода откачивается насосами и отводится в водосборник;

- передовых (опережающих) скважин длиною 10 – 15 м, закладываемых из забоя штрека горизонтально и под некоторым углом в направлении проход­ки;

- предохранительных перемычек, устраиваемых в случае возможного про­рыва вод или плывуна. Они ограждают аварийный участок от остальных вы­работок и позволяют постепенно откачивать прорвавшиеся воды. Предохра­нительные перемычки бывают водонепроницаемыми и фильтрующими;

- иглофильтровых установок, состоящих из насоса, вакуумнасоса, тру­бопроводов и комплекта иглофильтров. Иглофильтры устанавливаются на расстояниях 0,6 – 1,2 м друг от друга и осушают грунты до глубины 3 – 4 м. Осушение им очень эффективно в зернистых породах с весьма слабой водо­отдачей.

Поверхностный способ осушения применяется при сравнительно неглубоком залегании полезного ископае­мого (до 100 м) и в породах, обладающих хорошей водоотдачей. Осушение осуществляется водопонизительной установкой.

На участке месторождения по его контуру закладывается с поверхности ряд водопонизительных скважин. Скважины на интервале водоносных гори­зонтов оборудуются фильтрами и глубинными насосами. Из всех скважин одновременно производится откачка воды. Депрессионные воронки от рабо­ты взаимодействующих скважин пересекаются между собой и происходит об­щее снижение уровня. Один ряд скважин может понизить уровень до 20 м. При необходимости больших понижений устраивают многоконтурные установ­ки, располагая их ярусами.

Гидрогеологические исследования ведутся на всех стадиях изучения месторождения полезных ископаемых, а также при его эксплуатации.

При поисках, когда запасы полезного ископаемого утверждаются по ка­тегории С, гидрогеологические исследования заключаются в проведении гидрогеологической съемки масштабов 1:200 000 и 1:100 000 с обследовани­ем всех родников, колодцев. В минимальном количестве проходятся специ­альные гидрогеологические скважины, но необходимо стараться, по-воз­можности, использовать геологические выработки. Из скважин проводятся пробные откачки и организуются режимные наблюдения. В результате проведенных работ выясняются общие гидрогеологические условия района месторожде­ния, области и условия питания, разгрузки, устанавливается наличие и дается характеристика выявленным водоносным горизонтом, определяется положение уровней, водообильность пород, качество воды, элементы режи­ма.

При предварительной разведке месторождения, когда запасы полезного ископаемого утверждаются по категории В, гидрогеологические работы ставятся более широко. Буровые скважины специально для гидрогеологи­ческих целей закладываются по сетке со стороной квадратов 500-1000 м и глубиною - ниже горизонта разработок. Скважины детально изучаются в части литологии, установления мощностей слоев, уровней и напоров воды, качества ее. Из скважин производятся одиночные опытные откачки для оп­ределения водообильности пород, коэффициента фильтрации и радиуса вли­яния. Часть скважин оборудуется под режимные наблюдения. В результате проведенных работ составляется карта гидроизогипс, строятся гидрогео­логические профиля, колонки скважин, графики откачек, режимных наблю­дений, рассчитывается коэффициент фильтрации, определяется расход под­земного потока и делается предварительный расчет ожидаемого водоприто­ка.

При детальной разведке месторождения и утверждения по нему запасов по категории А производится гидрогеологическая съемка масштабов 1:5000 или 1:10 000 с закладкой скважин по сетке со стороной квадратов 200 – 300 м. В скважинах производится полный комплекс исследований с производством опытных откачек. Часть откачек делается кустовыми для более точного определения коэффициента фильтрации и радиуса влияния. Опытным путем устанавливается действительная скорость движения подзем­ных вод, наличие или отсутствие связи между отдельными горизонтами и с поверхностными водами. Продолжаются режимные наблюдения. По проведен­ным работам дается исчерпывающая характеристика для разрешения всех вопросов, связанных с проектированием горных выработок, добычей полез­ного ископаемого, определением водопритоков и разработкой мер борьбы с рудничными водами.

В процессе строительства рудника и его эксплуатации гидрогеологичес­кие работы продолжаются. Их проводит специальная гидрогеологическая служба, организуемая на рудниках. Работы ведутся на поверхности и в горных

выработках.

На поверхности в основном проводятся режимные наблюдения на создан­ной опорной сети: рудниках, колодцах, скважинах, реках, озерах. При необходимости проходятся дополнительные выработки.

В горных выработках производится подземная гидрогеологическая съемка и ведутся режимные наблюдения.

Подземная гидрогеологическая съемка заключается:

- в нанесении на маркшейдерские планы всех водоотливных устройств, насосов, трубопроводов, водосборников, перемычек, забивных и сквозных фильтров, дренажных канав, колодцев и других устройств;

- в составлении плана обводненности горных выработок в виде развер­ток всех стенок выработки. На план наносится литологический состав по­род, физико-механические свойства их, условия залегания пород, трещи­новатость пород, проявление водоносности, пересекаемые водоносные го­ризонты;

- в замере расходов воды на отдельных участках по-возможности раздельно с кровли, подошвы, стенок. Одновременно замеряется темпера­тура воды и отбирается проба на химический анализ.

Режимные наблюдения ведутся на всей опорной подземной сети. Система­тически замеряются расходы в водоотливных канавах и общий расход во­ды, извлекаемой из шахты. Одновременно замеряется температура и по се­зонам года отбираются пробы воды на химанализ.

В результате проводимых работ гидрогеологической службой составляет­ся ежегодный отчет с подробной характеристикой гидрогеологических ус­ловий месторождения, прогнозом ожидаемых водопритоков и мер, рекоменду­емых для осушения. Гидрогеолог, работающий на руднике, должен хорошо изучить геологическое строение и гидрогеологические условия месторож­дения, чтобы своевременно предсказать возможность изменения режима подземных вод, прорывы их в выработки и наметить способы борьбы с ними.