Гидрогеологические условия месторождения полезных ископаемых.
1. Естественные факторы обводнения месторождения.
а) атмосферные осадки
б) рельеф местности (макет рельефа)
в) фильтрация воды из поверхностных водотоков и водоёмов
г) Состав покровных пород, степень обнажённости коренных пород и тектоника.
д) литологический состав пород, вскрываемых горными выработками и тектоника района.
Рекомендуемые материалы
2. Особенности техногенного режима подземных вод на шахтных и карьерных полях.
Ключевые слова: Естественные факторы, рельеф, степень обнаженность горных пород, обводнения, техногенный режим, горная выработка, избыточное увлажнение, гипсометрическое положение, водоотводящий канал, туннель, поглашение, шахта, карьер.
Плакат № 40. Подземные воды месторождения.
Обычно условия обводнения месторождений полезных ископаемых зависит от общих естественноисторических факторов, а также от искусственных мероприятий (рис.1). В процессе эксплуатации месторождения вода поступает в горные выработки из водонасыщенных пластов или трещин и более крупных пустот, вскрываемых подземными или открытыми выработками. Количество воды, поступающеё в горные выработки, обуславливается рядом естественных и искусственных факторов, влияющих на обводнение неодинаково.
Конкретные данные о характере и степени обводнённости месторождений получают в результате наблюдений над притоками воды в горные выработки и над различными проявлениями водоносности при разработке месторождений. Очень важное значение имеют физико-геологические явления, возникающие в процессе притока воды в горные выработки и осложняющие прорывы плывунов, оползание откосов карьеров, пучение почвы или кровли выработок и т.д.
Естественные основные факторы, которые должны изучаться в процессе разведки месторождения следующие:
1.Одной из основных, а иногда и единственной причиной обводнения горных выработок является инфильтрация атмосферных осадков и меньше в районах засушливых, с недостаточным увлажнением. Это обстоятельство особенно резко появляется в неглубоких горных выработках, расположенных на пониженных участках местности (котловане, речных долин, балок и т.д.), где в дождевые периоды и во время весеннего снеготаяния (паводков) приток воды в горны выработки увеличивается на 40-50, а иногда и на 200-300% по сравнению со средневековьем. В тоже время при наличии в кровле выдержанных водоупорных слоёв водопроток в горные выработки в весенние время увеличивается только на 10-15% по сравнению со снеговым.
В выработках глубиной 100-200 м увеличение поступления воды отмечается через несколько дней после начала интенсивных дождей или снеготаяния. На некоторых месторождениях обильные дожди вызывают усиление обводнённости выработок даже через несколько часов. В выработках свыше 250-300 м. увеличение притока на некоторых месторождениях наступает через 2 и более месяца. Так в более глубоких шахтах сезонные колебания притока проявляются слабо: например, наблюдения показало, что на одной из шахт Донбасса на горизонте (глубина) 560 м. средний водопроток составлял 180 м3/час, а максимальный весенний не превышал 220 м3/час. На шахте глубиной до 100 м., расположенной в долине горной реки, притоки воды нарастают после длительных атмосферных осадков.
Величина проникновения осадков в толще горных пород в значительной мере зависит от местных условий. Так в районах развития карстовых пустот толща горных пород зависит от того, в какой климатической области располагается месторождение; в южных областях, с недостаточным увлажнением, чаще распространены слабо обводнённые месторождения, в северных, с избыточным увлажнением, — сильное обводнение. В качестве примера, характеризующего водообильность шахт в зависимости от качества атмосферных осадков, можно привести Карагандинский и Донецкий каменноугольный бассейны, где литологический состав продуктивных свит (слои) карбонат (С) приблизительно сходен.
Подземные воды в обоих бассейнах циркулируют по трещинам песчаников, сланцев и известняков, обладают относительно высокой водопроводящей способностью. Однако, в Карагандинском бассейне, характеризующимся меньшим количеством осадков и высокой испаряемостью, водообильность шахт примерно в два –три раза ниже, чем в Донецком (в Донбассе в среднем выпадает около 400 мм, причём в Карагаче максимальное количество осадков выпадает в июне-июле, когда большая часть их расходуется на испарение).
2.Форма рельефа дневной поверхности очень существенно влияют на степень обводнения месторождений, отражаясь на условиях циркуляции и глубине залегания водоносных горизонтов. Так, число вскрытых водоносных горизонтов и естественный дренаж зависят от глубины вреза местной гидрографической сети. Месторождения, расположенные выше местного базиса эрозии, обычно являются слабо обводнёнными или даже безводными: в однородных геологических условиях месторождения или на отдельные участки, залегающие под долинами рек, балок и других понижений, могут оказаться более сильно обводнёнными. Значительное увеличение притока воды в горные выработки в периоды паводков и интенсивного выпадения затяжных дождей часто наблюдаются в шахтных полях, сильно изрезанных овражно-балочной системой.
В месторождениях расположенных в горной пересечённой местности, различные рудные, шахтные поля при одном и том же геологическом строении характеризуется резко отличной степенью обводнения в зависимости от их гипсометрического положения. Например, в месторождениях Кора-Тау ( в Казахстане), где в течении года выпадает всего 180-250 мм осадков, при огромной испаряемости, в следствие сильной расчленённости горного рельефа и развития в долинах трещиноватых закарстовых известняков и доломитов, интенсивно поглощающих осадки, выработками вскрыты мощные водоносные горизонты с высокодебитными пресными источниками.
3. Источником обводнения выработок является вода поверхностных водоёмов и водотоков, расположенных вблизи горных выработок. Такое соседство приводит иногда к катастрофическим водопротокам в карьер приносящим огромные убытки и сопровождающимся даже гибелью людей (Ахангаран, водоотводящий канал 1980 год).
4. К слабоводопроницаемым покровным отложениям относятся главным образом суглинки четвертичного возраста. Если отложения доказанного типа широко развиты в районе месторождения, имеют выдержанную мощность (не менее 5 м.) и надёжно перекрывают с поверхности залегающие ниже водопроницаемых толщи пород, то инфильтрация атмосферных и поверхностных вод через них происходить почти не будет. Покровные суглинки становятся более водопроницаемыми лишь в том случае, когда они имеют сравнительно рыхлое сложение или содержат значительный процент песчаных частиц.
При больших по мощности подработках и многолетнем существованием горных выработок покровные водоупорные отложения изменяют свою структуру и начинают пропускать воду. Кроме того, в связи с обрушением выработанных участков местами возникают открытые трещины, через которые поверхностная вода может проникать в подстилающие водопроницаемые породы свободно в больших количествах. Но иногда даже после обрушения пород в кровле выработок и связанного с этим частичного разрыхления покровных суглинков последние продолжают оставаться хорошим водоупором. По степени обнажённости коренных пород месторождения подразделяются на открытые и закрытые. Открытыми, или обнажёнными, называется такие месторождения, в которых коренные породы, залегающие в кровле, или полезное ископаемое выходят на поверхность и составляют значительную величину от разведанной площади. Степень обнажённости месторождений может быть самой разнообразной и колеблется от долей до нескольких десятков процентов по отношению ко всей площади месторождения.
Открытыми часто являются месторождения полиметаллов. Через открытые участки площади месторождения, если они представлены водопроницаемыми породами, может происходить поглощение поверхностных вод, которые в дальнейшем достигают горных выработок.
Величина поглощения воды при таком виде питания будет полностью обуславливаться фильтрационными свойствами пород кровли и местными физико-географическими условиями. При наличии водоносных горизонтов, имеющих непосредственную связь с поверхностью, сезонные колебания водопритоков проявляются довольно резко: при этом наибольшие водопритоки приходятся на весеннее время (весенний паводок) и наименьшее – на зимнее.
5. Поступление подземной воды на горные выработки зависит от литологического состава обнажённых выработками пород. Наибольшее количество воды в единицу времени, как известно, пропускают крупнее карстовые каналы, затем трещины и поры. Следовательно, наибольшее количество воды способны пропустить выщелачивающиеся и растворяющиеся породы. К первым относятся известняки, мел, мергели, доломиты, гипс и ангидрит, ко вторым – поваренная соль и калийные соли.
Разработка полезных ископаемых, залегающие в толще закарстовых пород – очень сложная задача, а местами и вовсе невозможным. Наибольший вред вода приносит при разработке соляных месторождений. Здесь даже незначительные притоки воды могут привести к гибели рудника и поэтому должны внимательно изучить гидрогеологические условия таких месторождений.
Обводнение горных выработок тесно связано с выдержанностью литологического состава пород. Так, при смене глинистых фаций песчаными выработками, бывшие ранее сухими или слабо обводнёнными могут оказаться более обводнёнными причём иногда в выработке вместе с водой могут выноситься мелкие песчаные и глинистые фации. Например, Ленгерское буроугольное месторождение (Подмосковье), отличающиеся исключительной фациальной невыдержанностью, характеризуется повышенными притоками воды и прорывами плывунов при встрече слабо сцементированных песчаников, особенно в зоне тектонических нарушений. На одном из рудных месторождений Урала наибольшие водопритоки приходятся на выработки, имеющую глубину 70-80 м.: с увеличением глубины водопротока заметно уменьшаются. Уменьшение водопротока в выработки с глубиной обусловлено изменением трещиноватости водоносных пород; с увеличением глубины уменьшается степень трещиноватости пород, поэтому снижается и величина водопротока.
На некоторых жилах месторождений в горные выработки могут поступать восходящие термальные воды, обладающие высокой температурой, то является серьёзным препятствием при разработке полезных ископаемых на глубину. Поступление больших молей воды в горные выработки связано с особенностями тектоники района. Внезапные прорывы больших количеств воды могут быть обусловлены выходом воды их тектонических зон (трещин) в скальных породах. Зоны тектонических нарушений служат проводниками и коллекторами подземных вод.
По тектоническим зонам более интенсивно осуществляется гидравлическая связь различных водоносных горизонтов. На некоторых месторождениях эта связь распространяется вплоть до поверхностных вод. Тектонические трещины, пересекающие несколько водоносных горизонтов, даже при отсутствии связи с поверхностными водами могут в течении длительного времени давать большое количество воды. Тектонические нарушения нередко бывают причиной внезапных прорывов больших масс воды.
2.При строительстве и эксплуатации шахт и карьеров формируется техногенный режим подземных вод, который определяется прежде всего тес, что основными контурами разгрузки водоносных горизонтов являются горные выработки и дренажные сооружения. При этом резко изменяется направление естественного потока подземных вод, увеличиваются градиенты подземных потоков, возрастают сезонные колебания уровней. Наряду с появлением новых техногенных контуров дренажа заметно изменяются условия питания водоносных горизонтов.
Усиленное дренирование подземных вод вызывает развитие процессов протекания из смежных с ними водосточных пластов.
Техногенный режим подземных вод отличает изменчивость водопротоков в горные выработки и уровней водоносных горизонтов во времени. Как правило, водопротоки будут снижаться со временем вследствие постепенного истощения ответственных запасов подземных вод, систематического снижения уровней дренирующих пластов.
Наличие воды в в подошве и уступах карьера – причина размокания и набухания глинистых разностей горных пород и полезного ископаемого, что ограничивает проходимость и производительность горно-транспортных средств.
В бортах карьеров, вскрывают их рыхлые песчано-глинистые породы, подземные воды вызывают оплывание водонасыщенных песков, формирование на подошве карьера языков оплывания, которые затрудняют работу или полностью исключают возможность эксплуатации горно-транспортного оборудования.
Подземные воды, высачивающиеся в бортах карьеров, могут увлажнять полезное ископаемое, снижая его качественные характеристики и затрудняя его транспортировки в зимний период.
При обосновании рациональной степени дренирования вскрываемых карьером рыхлых песчано-глинистых отложений, следует исходить из величины допустимого притока воды к откосу.
Подземные воды оказывают существенное влияние на напряжённое состояние обводнённого прибортового массива горных пород; в результате ухудшается условие устойчивости бортов карьеров или отдельных уступов. Обводнённый массив горных пород характеризуется в каждой точке по вертикали польными, эффективными и нейтральными напряжениями.
Обычно максимальное влияние на устойчивость бортов карьера подземные воды оказывают в том случае, когда месторождение сложено слабопроницаемыми породами. Влияние гидродинамического давления на устойчивость бортов карьеров особенно велико для месторождений, сложенных прочными полускальными породами. При оценке устойчивости бортов карьеров совместное действие объёмных сил гидростатического взвешивания и гидродинамического давления может быть учтено давление. Расчётная схема предусматривает разбиение участка прибортового массива, заключённого между линией откоса и потенциальной поверхностью скольжения на ряд вертикальных элементарных блоков (рис.2)
Нормальную составляющую сил нейтрального давления, действующую в пределах каждого блока, определяют по формуле:
где — плотность воды
1- Линия откоса, 2- поверхность скольжения, 3- депрессионная кривая, Pi — вес элементарного блока; Ti – тангенсальная составляющая веса, Ni — нормальная составляющая веса, 0-0 – плоскость сравнения, Hi — напор на потенциальной поверхности скольжения в пределах элементарного блока – I, аi – угол наклона потенциальной поверхности скольжения в пределах блока шириной аi.
Месторождения, в разрезе которых преобладают рыхлые песчаные водонасыщенные породы, являются трудными для эксплуатации. При вскрытии таких пород в выработке вместе и водой наступает и водосодержащая порода. Этот процесс, если его не приостановить, приводит к обвалам, оплывинам и другим нарушениям пород кровли и подошвы горных выработок.
Нередко причиной прорыва плывунов являются тектонические нарушения. В некоторых случаях деформации наблюдаются и в почве выработок. Здесь они обычно возникают под влиянием давления нижележащих напорных вод на слой водоупорных глин небольшой мощности. В открытых котлованах (карьерах) напорные воды могут прорывать водопроницаемые пласты и либо изливаться из трещин разрыва.
Рудники, карьеры, разрабатывающие горизонты полезных ископаемых, лежащие выше коренных бортов ближайших долин, обычно обводняются слабо. Совершенно иная картина наблюдается в том случае, если зоны трещин выветривания располагается ниже местного базиса эрозии и имеет связь с долинами рек или выполняющими их аллювиальными обводнёнными отложениями. Через такие трещины из бортов долин в выработки могут поступать больше массы воды.
При вскрытии тектонических трещин или зоны тектонических трещин, буровыми скважинами наблюдаются следующие явления. В скважинах, заложенных на более высоких отметках, происходит быстрая и резкая потеря промывочной жидкости (глинистого раствора), скважины, пройденные на пониженных участках, дают самоизливающуюся воду.
Питанием трещинных вод происходит за счет инфильтрации атмосферных осадков, поступающих с поверхности через систему трещин в зонах выветривания и обрушения, связанных на некоторой глубине с тектоническими трещинами. В пределах речных долин и межгорных котловин поступление воды в тектонические трещины возможно и из аллювиальных и других отложений.
Общее количество воды которое будет поступать в горные выработки, определяется в процессе разведке месторождения в целях выявления в степени его обводнённости и установления в целях выявления степени его обводнённости и установления необходимой производительности насосных установок. Определение количества воды, которое может поступать в горные выработки, является одной из самых сложных задач рудничной гидрогеологии. Все проводимые на месторождениях гидрогеологические изыскания, нередко сопровождаемые значительным объёмом опытных полевых работ и лабораторными исследованиями, имеют назначение выявить гидрогеологические условия месторождения и степень его обводнённости.
Эксплуатация сильно обводнённых месторождений полезных ископаемых открытых или подземным способом в широких масштабах возможно только при условии предварительного проведения полного объёма осушительных мероприятий.
При подземном способе разработки в проекте осушительных мероприятий необходимо учитывать: 1) возможно более полное осушение пород кровли; 2) снижение пьезометрического напора вод на 1-2 м ниже подошвы горных выработок или до пределов, при которых катастрофические прорывы подземных вод в выработки становятся невозможными.
Осушительные мероприятия должны проводится с некоторым опережением по отношению к горным работам. Сроки осушения шахтных полей обуславливается как скорость проходки, так и характером водопроводимости геологического разреза. Степень обводнённости месторождения можно охарактеризовать общим количеством воды, удаляемой из рудника, карьера, но эта характеристика не даёт представления об объёме горных выработок в которые поступает вода и не отражает количество добываемого полезного ископаемого.
Поэтому нередко при оценке водопротока в горные выработки предпочитают пользоваться так называемым коэффициентом водообильность или же относят величину водопротока к объёмной, квадратной или линейной величине выработок: на отдельных месторождениях приток воды относится к 100 и 1000 м2 площади горных выработок. Существует следующие приближённые методы определения будущих водопротоков.
1) по коэффициенту водообильности.
2) По водному балансу.
3) По формулам динамики подземных вод
4) На основе гидродинамического анализа.
Оценка этих способов и пределов их применения в зависимости от геологического строения, гидрогеологических условий, системы разработки, полезных ископаемых и ряда других факторов. Необходимо отметить, что в настоящее время нет законченных свободных решений по теории водопротоков к горным выработкам в связи со сложностью и разнообразием гидрогеологических обстановок и условий в различных типах месторождений полезных ископаемых.
На ряде рудников притоки воды возрастают прапорционально увеличению площади горных выработок. В связи с этим наметив в новом шахтном поле площадь первоочередной отработки можно рассчитать для неё возможный водоприток по следующей схеме.
Обозначим среднее проектное понижение уровня подземных вод, которое долно быть достигнуто на шахтном поле, через S , а площадь первоочередной отработки будущего рудника через F. Допустим, кроме того, что фактический дебит действующего рудника площадью F составляет величину Q при созданном уж понижений S.
Тогда фактический единичный приток воды на 1 м2 площади разработок при понижении уровня 1 м получается путём деления единичного расхода g на понижение уровня S.
Тогда фактический единичный приток на действующем руднике, т.е. приток, отнесённый к 1 м2 площади разработок составляет:
м3/час или л/час
Средний фактический приток воды на 1 м2 площади разработок при понижении уровня 1м получается путём деления единичного расхода g на понижении уровня S:
Будуший суммарный приток Q выражается как произведение фактического удельного притока g0 на площадь запроектированных подготовительных выработок F1 и на заданное понижение уровня S1,
Эта схема расчёта водопротока является приближённой.
Определение водопротоков по коэффициенту водообильности: , где: Q – количество откаченной воды, Р – количество добытого за тот же срок полезного ископаемого (в тоннах). Чаще всего коэффициент водообильности определяют по месячным или годовым данным. Значение коэффициента водообильности для различных рудников колеблется в весьма широких пределах: от 1-2 до 40 и более.
При открытых разработках особую роль играют также методы борьбы с подземными водами:
1) Поверхностный горизонтальный дренаж.
2) Отвод рек за пределы карьерных полей.
3) Глубокое водопонижение.
4) Комбинированное осушение.
Поверхностный горизонтальный дренаж применяются в тех случаях, когда основной обводняющий горизонт залегает с поверхности и перекрывает продуктивную толщу.
Отвод рек за пределы карьерных полей осуществляется в том случае, когда продуктивный залежь встречается в эрозионных врезах, т.е. в долинах рек. Поэтому строится крупный отводящий канал.
Глубокое водопонижение осуществляется при помощи артезианских турбинных насосов.
Комбинированное осушение месторождения осуществляется сооружением ряда дополнительных дренажных устройств (например, трубчатые водопонизительные штреки, сквозные и забивные фильтры, горизонтальные сифонные фильтры, дренажные шурфы, поглощающие скважины, водоподъёмные насосы и т.д.).
1. Почему происходит затопление дна карьера Кальмакыр?
2. Как происходит фильтрация воды в породе?
3. Почему часто происходит затопление карьеров?
4. Почему неодинакова скорость фильтрации воды в породах?
5. Всегда ли атмосферные осадки являются источником для грунтовых вод?
6. Каких случаях месторождения считается слабо обводнёнными?
Рекомендуем посмотреть лекцию «16. Сплошные системы разработки».
1. Якушева А. Ф. «Общая геология». М. Недра 1988.
2. Мильнучук В. И. «Общая геология». М. Недра 1989.
3. Ершов В. В. «Основы геологии». М. Недра 1986.
4. Иванова М. Ф. «Общая геология». М. Недра 1974.
5. Панюков П. Н. «Основы геологии». М. М. Недра 1978.
Гидрогеологические условия основных регионов орошения
Под типом гидрогеологических условий понимается комплекс показателей, характеризующих условия и закономерности формирования подземных вод в естественных условиях, ожидаемое влияние мелиораций и состав необходимых мероприятий, обеспечивающих благоприятные гидрогеологические условия.
По степени сложности гидрогеологических условий орошаемые районы Центральной Азии подразделяются на 4 группы:
На рисунке приведены примеры орогенных и платформенных районов, характеризующихся различной сложностью гидрогеологических условий; показано геоморфологическое положение этих районов.
Орошаемые районы орогенной группы по степени сложности гидрогеологических условий изменяются от простых до весьма сложных. Они характеризуются глубоким залеганием водоупора и участием в составе четвертичных отложений хорошо водопроницаемых гравийно-галечниковых пород (рис.).
Орошаемые районы платформенной группы являются преимущественно среднесложными, сложными и весьма сложными, отличаются сравнительно небольшой глубиной залегания регионального водоупора (дочетвертичного возраста). В составе четвертичных отложений в большинстве районов отсутствуют гравийно-галечниковые породы.
Районы со сравнительно простыми гидрогеологическими условиями характеризуются формированием преимущественно пресных грунтовых вод с устойчиво глубоким залеганием уровня (районы 1-4 на рис.). Эти районы расположены в основном в области питания грунтовых вод, отличаются интенсивной естественной дренированностью Подземный отток здесь полностью компенсирует приходные составляющие баланса грунтовых вод; испарение и транспирация грунтовых вод незначительны или отсутствуют. При этом оттоке обеспечивается автоморфный режим почвообразования, почвы незасоленные (типичные и светлые в большинстве сероземы и др.), и устойчиво хорошее мелиоративное состояние земель. Искусственный дренаж не требуется. Эти земли весьма благоприятны для орошения. К первой группе районов принадлежат также земли естественно-дренированные. Благодаря интенсивному оттоку грунтовые воды, не имеющие напорного питания, несмотря на неглубокое залегание, является устойчиво пресными (районы 5, 8 на рис.). Этому способствует и интенсивный подземный приток, который при значительном оттоке обуславливает хорошую “промытость” отложений, отсутствие в зоне аэрации легкорастворимых солей. Благодаря неглубокому залеганию пресных грунтовых вод поливные культуры покрывают значительную часть своей потребности в воде за счет грунтовых вод. Формирующиеся в этих условиях луговые и лугово-болотные почвы обладают высоким потенциальным плодородием (при условии предупреждения заболачивания почв).
В рассматриваемых условиях, в целом также весьма благоприятных для поливного земледелия, локально проявляется сульфатно-кальциевое и карбонатно-магниевое засоление почв с образованием плотных солевых горизонтов (носящих в Средней Азии название “шох”, “арзык”).
Районы средней сложности включают естественно дренированные земли, в которых при наличии слабого, среднего и сильного напорного питания пресных грунтовых вод необходима борьба с заболачиванием почв, требуется более интенсивный дренаж, чем в районах первой группы (районы 6, 7 на рис.). Ко второй группе отнесены и естественно слабодренированные районы, в которых необходима борьба и со слабым засолением почв, так как грунтовые воды обладают уже повышенной минерализацией (районы 9, 14, а, б, г, д, на рис.).
Районы со сложными гидрогеологическими условиями широко распространены в орошаемой зоне. К ним принадлежат:
В рассматриваемой группе районов, в большинстве отличающихся повышенной или высокой минерализацией грунтовых вод, основной задачей мелиоративных мероприятий является борьба с засолением почв на основе регулирования режима грунтовых вод с помощью интенсивного дренажа.
Районы с весьма сложными гидрогеологическими условиями включают:
Районы последней группы требуют для борьбы с засолением почв применения наиболее интенсивного дренажа, промывных поливов с использованием химических мелиорантов (в случае содового или содово-сульфатного засоления почв) и т.д. Если в районах с простыми гидрогеологическими условиями при глубоком залегании грунтовых вод затраты на дренаж вообще не требуются, то в рассматриваемой группе районов капитальные вложения в строительство дренажа достигают 2-3 тыс. долларов. и более на 1 га орошаемых земель. Соответственно велики и ежегодные эксплуатационные затраты на дренаж.
Одним из важных гидрогеологических показателей орошаемых территорий является естественная дренированность земель. Ее показателем является потенциальная величина подземного оттока грунтовых вод (выражаемая в миллиметрах слоя воды, или в м3/га в год или величины естественного дренажного модуля «л/с/га»).
Естественная дренированность массива определяется его геологическим строением, геоморфологическими условиями, рельефом, связью грунтовых вод с поверхностными водотоками и водоемами — как естественными, так и искусственными, связью грунтовых вод с напорными водами. Эти факторы находят свое отображение в геофильтрационных схемах орошаемого или осушаемого массива.
По характеру геологического строения в общем случае возможны следующие геофильтрационные схемы:
1) однопластовая (однослойная и двухслойная), 2) двухпластовая, 3) многопластовая и 4) водоупорная.
При геофильтрационной схематизации для количественной характеристики параметров пластов целесообразно использовать следующие количественные показатели.
Фильтрационные свойства пластов с точки зрения условий работы горизонтальных дрен: благоприятные условия — коэффициент фильтрации более 0.5 м/сут, промежуточные — 0.1-0.5 и неблагоприятные — менее 0.1 м/сут.
На основе анализа работы дрен в грунтах с коэффициентом фильтрации менее 0.1 м/сут целесообразна дифференциация их на следующие группы: от 0.1 до 0.01 м/сут — низкой водопроницаемости, от 0.01 до 0.001 м/сут — весьма низкой и менее 0.001 м/сут — крайне низкой водопроницаемости, создающей исключительно неблагоприятные условия для работы дрен. В то же время с уменьшением водопроницаемости грунтов сокращаются потери на фильтрацию из оросительных каналов.
Для оценки эффективности работы вертикального дренажа и эксплуатационных водозаборов подземных вод и общих гидрогеологических условий массива одним из основных параметров является водопроводимость отложений. При двухслойной или многослойной схеме строения пласта следует оценивать водопроводимость более проницаемого слоя или свиты пластов по следующим градациям: менее 100 м2/сут (как неблагоприятная); 100-200; 200-500; 500-1000; свыше 1000 м2/сут. С повышением водопроводимости условия работы водозаборов и эффективность вертикального дренажа, при равенстве других условий, улучшаются.
Важный фактор геофильтрационной схематизации — наличие и характер связи грунтовых вод с нижележащим межпластовым водоносным горизонтом. В этом плане следует различать: 1) районы формирования грунтовых вод и 2) районы формирования единых водоносных комплексов грунтовых и напорных или субнапорных вод. При превышении пьезометрического уровня над уровнем грунтовых вод и наличии восходящего перетекания напорных вод в грунтовые воды целесообразно различать площади земель: слабого напорного питания — до 100 мм в год; среднего — от 100 до 200; сильного — от 200 до 300; очень сильного — более 300 мм в год.
Естественная дренированность зависит от рассмотренных факторов, а также от типов граничных условий геофильтрационных потоков.
По степени естественной дренированности земель применительно к орошаемым районам выделен ряд гидродинамических зон, характеризующихся различным подземным оттоком грунтовых вод, установленным по сравнению с величиной ирригационного питания грунтовых вод.
На основе воднобалансовых исследований установлено, что в орошаемых районах пустынной и полупустынной зон при существующих КПД оросительных систем и поверхностном самотечном орошении ирригационное питание грунтовых вод в среднем составляет 300-600 мм/год.
Исходя из этого установлены следующие 5 зон:
С уменьшением подземного оттока при неглубоком залегании грунтовых вод возрастает расход их на испарение и транспирацию, что приводит к росту минерализации грунтовых вод и соленакоплению в почвах и породах зоны аэрации.
Характеристика геоморфологических условий площадей распространения выделенных гидродинамических зон, свойственных им глубин залегания и минерализации грунтовых вод, а также роли грунтовых вод в процессах почвообразования дана в табл.
Орошаемые земли могут быть расположены во всех зонах естественной дренированности. Однако всего лишь около 20 % земель существующего и перспективного орошения характеризуются интенсивной естественной дренированностью, которой свойственно устойчиво глубокое залегание грунтовых вод и потому искусственное дренирование земель не требуется. Сколько же занимает естественно-дренированная зона со свойственными ей устойчиво пресными грунтовыми водами, где дренаж может потребоваться для борьбы с заболачиванием почв.
Три последующие гидродинамические зоны — низкой естественной дренированности — занимают примерно 60% земель существующего и проектируемого орошения. Дренаж здесь необходимым в настоящее время или потребуется в перспективе для борьбы со вторичным засолением, заболачиванием и осолонцеванием орошаемых почв или для предупреждения этих процессов.
Крупные орошаемые оазисы могут характеризоваться наличием нескольких гидродинамических зон. Однако могут быть оазисы и с однородной дренированностью.
При значительной мощности покровного слабопроницаемого слоя (свыше 10-15 м), подстилаемого хорошо проницаемыми отложениями, следует раздельно оценивать естественную дренированность этого слоя. Она зависит от его фильтрационных свойств, водопроводимости хорошо проницаемого подстилающего слоя и соотношения уровней подземных вод в том и другом слоях. Это соотношение может изменяться во времени, соответственно увеличивая или уменьшая дренированность покровного пласта, что учитывается в прогнозах.
В отличие от орошаемых массивов, которые характеризуются различной естественной дренированностью, районы развития переувлажненных почв, требующих осушения, в области достаточного увлажнения находятся только в зонах низкой дренированности. Важнейшим показателем естественной дренированности в гумидной зоне является глубина залегания грунтовых вод — с учетом ее сезонных, годовых и многолетних изменений.
Глубина залегания, минерализация, режим и баланс грунтовых вод. Характеристика глубин залегания и минерализации грунтовых вод в разных климатических условиях и при разной естественной дренированности земель приведена в табл. В зависимости от того или иного сочетания климатических и гидродинамических условий по минерализации грунтовые воды изменяются от ультрапресных до рассолов — с сухим остатком до 200-300 г/л и более. Широкий диапазон изменений глубин залегания грунтовых вод был отмечен выше. Как глубина залегания, так и минерализация и химический состав грунтовых вод подвержены сезонным, годовым и многолетним изменениям, описываемым определенными закономерностями режима.
Режим и баланс грунтовых вод на орошаемых и осушенных землях формируются в результате взаимодействия природных и хозяйственных факторов. Анализу особенностей этих важных показателей гидрогеологических условий посвящен второй раздел учебника.
Общие гидрогеохимические условия. В пределах каждой климатической и гидродинамической зоны возможно наличие одного или нескольких локальных факторов, осложняющих природную гидрогеохимическую обстановку. К этим факторам относится наличие:
Сложность геохимической обстановки проявляется в повышенных запасах солей в грунтовых водах, водовмещающей толще и в породах зоны аэрации, что осложняет мелиорацию земель.
В рассмотренных гидрогеохимических условиях минерализованные грунтовые воды или воды с повышенной щелочностью могут формироваться в любых климатических зонах. Однако наибольшего развития соленакопление достигает при сочетании сложных геохимических условий с бессточностью территории и аридностью климата.
Гидрогеологические условия участка обусловлены геологическим строением и его геолого-структурными особенностями, которые позволяют выделить на изучаемой территории следующие водоносные горизонты и комплексы:
1) Водопроницаемый локально — водоносный маастрихтский терригенно-карбонатный горизонт (К2 m)
2) Водопроницаемый локально — водоносный сантонский терригенно — карбонатный горизонт (К2 st)
3) Водоносный алъб-сеноманский терригенный комплекс (K1al-K2s)
4) Слабопроницаемый слабоводоносный аптский терригенный
5) Водоносный неокомский терригенный комплекс (K1nс)
6) Водоносный терригенный комплекс юрских отложений (J)
7) Водонепроницаемый неводоносный кампанский терригенно — карбонатный горизонт (К2 km)
8) Водонепроницаемый неводоносный туронский терригенно — карбонатный горизонт (К2t)
Приурочен он к центральным частям межкупольных пространств и грабенам. Представлен Маастрихт белым писчим мелом и мелоподобными мергелями. Мощность отложений изменяется от 6 до 70 м. Водосодержащими породами являются трещиноватые мела и мелоподобные мергели. Мощность трещиноватой зоны обычно не превышает 20-30 м. С глубиной трещиноватость постепенно затухает, в связи с чем мел и мергели становятся водоупорными породами.
Дебиты колодцев и скважин колеблются в пределах 0.01-0,28 дм3/с при понижениях 2,2-16,0 м. Воды безнапорные, пополнение запасов происходит за счет инфильтрации осадков и поводковых вод, глубина уровней воды 4-20 м. Минерализация подземных вод пестрая от 4,0 м до 79,0 г/дмЗ. Воды невысокой минерализации нередко используются местным населением для хозяйственных нужд.
Отложения сантона прослеживаются в виде узких полос, обрамляющих крыльевые части солянокупольных структур. Получили распространения в центральной части изучаемой территории, в том числе и в районе нефтяного месторождения Макат. На территории работ воды не изучены. Мощность сантона, представленного писчим мелом, мелоподобным мергелем, а иногда и глинами колеблется от 3 до 11-15 м. Водосодержащими являются трещиноватые мела или мергели. Имеются одиночные данные об опробовании. Уровни воды вскрываются на глубине 5-7,6м на выходах отложений на дневную поверхность. Дебиты колодцев незначительные: от 0,01 до 0,06 дм/с при понижениях 0,1-1,1м. Минерализация воды составляет 1,5-75,5 г/дм. Практического значения подземные воды для народного хозяйства не имеют.
Является основным перспективным комплексом, содержащим воды различной минерализации, пригодные для использования в народном хозяйстве. Распространен практически повсеместно. Литологически комплекс сложен преимущественно глинистыми отложениями с многочисленными прослоями мелкозернистых водосодержащих песков. Подземные воды приурочены к прослоям и пачкам песков, преобладающих в верхней части разреза. Нижняя часть разреза представлена глинами альба с подчиненными прослоями водосодержащих песков. Нижним водоупорным ложем водоносного комплекса являются глины апта. Водоупорной кровлей в межкупольных понижениях являются глинистые и мергелистые породы турона, а на выходах альба на поверхность — одновозрастные глины, что определяет напорность горизонтов, которая колеблется от 11,4м до 260 м. Максимальные значения напоров приурочены к мульдам, а в присводовых частях куполов формируются слабонапорные или безнапорные воды.
Участки выходов альб-сеноманских отложений на поверхность являются местными областями питания водоносного комплекса, особенно его верхних горизонтов. Глубина залегания кровли комплекса колеблется в широких пределах. На крыльях и присводовых частях куполов он вскрывается на глубине 80 м, а в межкупольных понижениях на глубинах 120-160 м.
На участке нефтепромысла Макат Восточный, намеченном для сооружения водозабора, кровля водоносного комплекса альб-сеноманских отложений залегает на глубине 77-80 м. Общая вскрытая мощность достигает 250 м (скв.2-Н). Песчаные водоносные пласты начинаются с глубины около 100 м и прослеживаются до подошвы вскрытой части комплекса. По данным гамма — каротажа глинистость их постепенно повышается. Суммарная мощность песчаных слоев (эффективная) составляет около 50-60% от общей.
К юго-западу и северо-востоку от участка породы комплекса погружаются на большую глубину (до 150м) а на северо-западе и северо-востоке в присводовых зонах соляно-купольных поднятий они выходят на поверхность земли и разорваны большим количеством разломов различной амплитуды.
Глубина пьезометрических уровней подземных вод 1-6 м, в депрессиях рельефа возможен самоизлив. На самом участке разведки подземных вод глубина пьезометрического уровня 3,10 — 3,40 м, при абсолютных отметках от — 23,47 до — 24,13м (Сkb.1-Ц, 1-Н, 2-Н). Минерализация подземных вод в пределах участка и на сопредельной территории очень высокая 90-125 г/дм3. Непосредственно на участке в средних (по глубине) пластах комплекса она составляет около 100 г/дм Воды хлоридные натриевые. Дебиты скважины при пробных откачках из наблюдательных скважин 1-Н и 2-Н составили 3,12 и 3,64 дм /с при понижениях 6,92-5,15 м соответственно. Дебит центральной скважины куста 1-Ц при кустового откачке установился на значении 9,3 дм3/с при понижении к концу откачки 6,91м.
Коэффициенты фильтрации, определенные по данным пробных откачек на смежной с участком территории колеблются в пределах 1,4 — 7,7м /сутки, и обычно составляют 2,4 -3,8 м/сутки.
Коэффициент фильтрации, определенный по данным кустовой откачки из скважины 1-Ц составляет, применительно к эффективной мощности водоносных пород, 2,59 м/сут. Коэффициент водопроводимости, определенный по графикам прослеживания колеблется по результатам кустовой откачки из СКВ 1-Ц от 267 до 525м2/сут. По результатам восстановления уровня после откачки коэффициент водопроводимости составляет от 258 до 278 м /сут. Коэффициент пьезопроводности по результатам откачки от 2,02 — 106 до 4,46-103 м2/сут, восстановления уровня — от 6,2-104 до 5,01-103м2/сут.
Слабопроницаемый слабоводоносный аптский терригенный горизонт (Ка)
Отложения апта прослеживаются почти во всех соляно-купольных структурах и представлены темно-серыми глинами с редкими прослоями мелкозернистых песков, мергелей, песчаников. Глубина залегания апта 350м
Мощность водосодержащих мелкозернистых песков не превышает 7 — 8 м. Водообильность отложений невысокая в связи с глинистостью водовмещающей толщи. Воды на участке не изучены. В связи с локальным развитием не находят практического применения.
Имеет распространение на структурах и в межкупольных понижениях. Водовмещающими являются зеленовато-серые мелко-среднезернистые пеки, переслаивающиеся с темно-серыми глинами. Мощность песков колеблется в пределах от 2 — 16 до 40 — 67 м. Воды напорные, пьезометрические уровни устанавливаются на глубинах 4,8 — 14 м. Водообильность неокомских отложений невысокая. Дебиты скважин 0,2 — 3,5 дм /с. Подземные воды относятся к крепким рассолам с минерализацией от 120 до 223 г/дм хлоридно-натриевого состава.
Юрские отложения, за исключением сводов куполов, залегают на больших глубинах и изучены в гидрогеологическом отношении весьма слабо.
Отложения нижней, средней и верхней юры объединяются в один комплекс Водовмещающими являются мелко и тонкозернистые пески с прослоями песчаников и мергелей. Мощность песчаных прослоев достигает 10 м. Глубина вскрытия подземных вод колеблется от 878 до 1078 м. Воды высоконапорные. Дебиты скважин составляют 0,1-3,1 дм3/с при понижениях 11-80. Минерализация воды изменяется от 139 до 262 г/дм3 при хлоридно-натриевом составе.
Распространен на севере и юго-востоке района работ в межкупольных пространствах, сложен мелоподобными и глинистыми мергелями и мергелистыми глинами мощностью 40-50 м, реже до 150 м. Представляет собой водоупорную толщу, перекрывающую нижележащие водопроницаемые отложения и препятствующую инфильтрации в них атмосферных осадков. Кроме того он является нижним водоупором для водоносного горизонта озерных четвертичных отложений.
Породы комплекса окаймляют крылья соляно-купольных структур, широко развиты в межкупольных пространствах.
Комплекс сложен песчаниками, песчанистыми глинами и глинистыми мергелями, мелоподобными мергелями и писчим мелом сантона. Общая мощность комплекса до 25м, реже до 40м.
Гидрогеологическими методами комплекс в районе работ не изучен. На участках выхода на поверхность он перекрывает песчаные породы сеномана и затрудняет инфильтрацию атмосферных осадков в них.
