Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Гидрогеологические прогнозы в целях осушения железорудных месторождений и рационального использования подземных вод

ВАК РФ 04.00.06, Гидрогеология

Автореферат диссертации по теме "Гидрогеологические прогнозы в целях осушения железорудных месторождений и рационального использования подземных вод"

КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ГЕОЛОГИИ Л ИСПОЛЬЗОВАНИЮ НВДР (РиСКО МНВДРА)

БСЕРОССИИСКИИ НАУЧШ-ИСШДОВАТЕШЖИЙ ИНСТИТУТ ГИДРОГЕОЛОГИИ И ИНЖЕНЕРНОЙ ГЕОЛОГИИ (БСЕГИНГЮ)

На правах рукописи УДК оЬ6.3:622.5

ЕЛАНЦЕВА ЛлЩША АЛЕЬСЕЕЬНА

ГИДРОГЕШОШЧЬСКИЬ ПРОГНОЗ!* В ЦШХ ОСЛШ1 Ш1Е30РУДНЫХ ШЯЮРОВДЕНЛИ И.РАЦИОНАЛЬНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ЬОД

(на примере Якоалевского месторождения Кш1А) Специальность 04.00.06 - Гидрогеология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Москва - 19УЗ

Работа выполнена во осероссийском научно-исследовательском институте гидрогеологии и инженерной геологии СоСЫЪМЬо) и Научно-исследовательском институте по осушению месторождений полезных ископаемых, защите инженерных сооружений от обводнения, специальным горным работам, геомеханике, геофизике, гидротехнике, геологии и маркшейдерскому деду ШИиГЬи»),

Научный руководитель - кандидат геолого-минералогических

наук Г.Н.Нашковский.

Официальные оппонента: доктор геолого-минералогических наук,

профессор С.С.Бондаренко;

кандидат технических наук А.¡'.Скворцов.

Ьедучая организация - институт "Дентрогипроруда".

Защита диссертации состоится " £ " 1УУЗ г. в

аО ч. на заседании специализированного совета КД)71.И,01 по присуждению ученой степени кандидата геолого-минералогических наук при оСЫ\МЪО по адресу: 14^4о<;, Московская обл., Ногинский р-н, пос. Зеленый, ¿¿Ш'ЛШЪО.

Просим сас принять участие в работе спецсовета или прислать один отзывы в двух экземплярах, заверенные подписями и печатью, по указанному адресу на имя ученого секретаря.

О диссертацией можно ознакомиться в библиотеке аСЬГШГЮ.

Автореферат разослан " " 1УУЗ г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат геолого-минералогических наук

И.Ципинс^. И.М.Дыпина

- О -

ОЬцйЛ лАрАК'ШМО'МхА РяБиТи

Актуальность работы, и связи с интенсивным развитием горнодобывающей промышленности возникла необходимость вовлечения в промышленное использование весьма сложных в гидрогеологическом отношении железорудных месторождений, на которых полезные ископаемые залегают на больших глубинах, часто в зонах тектонических нарушений, и сильно обводнены. ¿Эксплуатация месторождений происходит. при постоянном углублении горных работ. Лобычу руды на этих месторождениях нельзя эффективно осуществлять без крупных мероприятий по водопонижению и осушению, направленных в первую очередь на создание безопасных и благоприятных.условий производства горных работ. Проводимые осушительные мероприятия влекут за собой откачку на поверхность земли миллионов кубометров воды, что приводит к существенному изменению природных условий районов горных разработок. Происходит нарушение режима и качества подземных вод, заметное истощение их запасов, что вызывает отрицательное воздействие на окружающую среду и затрудняет использование откачиваемых вод для водоснабжения.

Прогнозирование водопритоков в горные выработки и изменения гидрогеологических условий в районах эксплуатации таких месторождений является сложной задачей, требует учета многих природных и горнотехнических факторов и разработки методических приемов ее решения. Актуальность исследований в этом направлении значительно возрастает в "связи с необходимостью использования гидрогеологических прогнозов для геолого-экологической оценки последствий осушения и разработки месторождений.

Широкие возможности исследований по рассматриваемому направлению открываются на основе анализа опыта осушения.характерных месторождений КМА и Шно-Белозёрского месторождений^ а также практики водозащиты горных работ и охраны водной среды'от негативного влияния техногенёза, формирующегося в этих горнорудных районах.

Цель работы заклйчается в разработке методики и выполнении-гидрогеологических прогнозов на железорудных месторождениях в

условиях -водонапорных систем артезианских бассейнов для обоснования осушительных систем и рационального использования поземных дренажных вод на примере Нковлевского месторождения НМЛ..

Основные задачи проведенных исследований включают:

- анализ й обобщение опыта осушения железорудных месторождений со сложными гидрогеологическими и горнотехническими условиями разработки;

- установление значимости фильтрационных свойств пород слоистого водоносного комплекса для формирования водопритоков к подземным горным выработкам;

- разработку методики реализации на численной гидродинамической модели подземных дренажных устройств в условиях их интенсивного взаимодействия на участках ведения горных работ;

- разработку численной гидродинамической модели и выполнение прогнозных гидрогеологических расчетов по обоснованию схемы осушения, использованию дренажных вод и управлению режимом уровней подземных вод в-целях предотвращения уплотнения песчано-гли-нистых пород и деформации шахтных стволов;

- исследование субвертикального подтягивания глубинных минерализованных подземных вод в условиях эксплуатации месторождения и его роли в формировании геолого-экологической обстановки.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- путем экспериментальных исследований проведена количественная оценка роли фильтрационных свойств'водоносного комплекса

в формировании водопритоков к подземным горным выработкам, вскрывающим слоистые водоносные толщи;

- разработана методика реализации-на численной модели фильтрации подземных вод дренажных кустов из наклонно-восстающих скважин в условиях их интенсивного взаимодействия на участках ведения водопонизительных работ;

- выявлены источники формирования водопритоков подземных вед к горным выработкам в слоистом водоносном комплексе применительно к условиям освоения и эксплуатации Нковлевского месторождения;

- обоснована оптимизация работы дренажной системы с использованием метода математического моделирования;

- выполнен прогноз изменения уровенного режима подземных вод и водопротоков к дренажной системе на период отработки первоочередного участка и решена задача управления гидродинамическим режимом подземных вод цутем закачки дренажных вод для поддержания гидростатических напоров вокруг шахтных стволов и предупреждения их деформации;

- установлена закономерность изменения минерализации и химического состава подземных вод по площади и глубине в Ьроцессе освоения и эксплуатации Нковлевского месторождения и подтягивания гдубинных рассолов, выполнены прогнозные расчеты изменения состава дренажных вод на период отработки первоочередного участка.

практическое значение работы. Выполненные научно-методические разработки позволяют решать следующие"Практические задачи освоения месторождений в рассматриваемых геолого-гидр^геологиче-ских условиях:

- определять методом численного моделирования фильтрацкбн-ные характеристики слабопроницаемых разделяющих слое?, учет которых повышает полноту и достоверность гидрогеологических прогнозов;

- прогнозировать режим уровней и водопритоков к горным выработкам и дренажным устройствам, что позволяет целенаправленно и обоснованно в технико-экономическом отношении проектировать к совершенствовать систему осушения железорудных месторождений;

- выполнять прогнозы изменения химического состава и минерализации дренажных вод в процессе осушения месторождений и обосновывать их использование.

Реализация работы. Результаты проведенных исследований использованы Яковлевским рудоуправлением в практической деятельности по проведению водопонизительных работ, проектно-изыска-тельским институтом ШЮ1ВД и институтом "Центрогипроруда" при составлении проектов осушения первоочередного участка добычных работ на Яковлёвском месторождении. Ожидаемый экономический эффект от внедрения результатов работы на первом этапе составил 375 тыс.руб. (в ценах ¿990 г.).

Апробация работы. Но теме диссертации опубликовано б работ.

- ь -

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка использованной литературы из 121 наименования. Объем работы - ¿31 с. машинописного текста, 54 иллюстрации, и таблиц.

Автор выражает искреннюю признательность научному руководителю канд. геол.-мин. наук Г.Н.Нашковскоцу, а также благодарен коллегам - сотрудникам отдела осушения НИй ШЮГЕМ, чьи советы и помощь способствовали выполнению работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

с первой главе проанализированы изменения естественного режима подземных вод при осушении железорудных месторождений в условиях высоконапорных водоносных систем и определены, исходя из этого, основные задачи гидрогеологических прогнозов.

В процессе осушения железорудных месторождений наблюдаются изменения гидродинамического, гидрогеохимического и, реже, теплового режима подземных ,вод, обусловленные формированием техногенных процессов.

Вследствие работы водопонизительных и осушительных систем происходит резкая смена условий разгрузки водоносных горизонтов, что сопровождается коренным изменением уровенного режима и направления движения подземных вод, увеличением градиентов подземного потока, нарушением составляющих баланса подземного и поверхностного стока. Особенностью нарушенного режима подземных вод является нестационарность фильтрационных процессов в период освоения месторождений, которая выражается в общей тенденции к снижению уровней и изменению расходов подземного потока. Происходит сработка естественных запасов подземных вод и связанное с этим падение производительности водозаборов, оказавшихся в пределах развития депрессионной воронки. Существенное влияние на режим подземных вод оказывают созданные в пределах влияния дренажа различные.гидротехнические сооружения'; являющиеся источниками дополнительного питания водоносных горизонтов. Кроме того, поверхностные водоёмы и водотоки, находящиеся в пределах дренируемой площади,- также становятся в определенной мере источником

питания водоносных горизонтов, хотя в естественных условиях являлись участками разгрузки подземного потока.

Снижение напоров подземных вод, развитие техногенной трещи-новатости пород над горными выработками способствуют интенсификации процессов перетекания подземных вод из смежных горизонтов с худшими качественными характеристиками1 вод, отжатию минерализованных поровых растворов из слабопроницаемых слоев. Осушение водоносных горизонтов до больших глубин (300-800 м) формирует мощную, техногенную зону аэрации, в которой интенсивно развиваются процессы окисления руд и пород, обуславливающие повышение кислотности и.минерализации подземных и шахтных вод. Кроме того, процессы химического загрязнения подземных и поверхностных вод формируются за счет инфильтрационных потерь жидких промстоков из гидротехнических сооружений горнодобывающих предприятий.

• Снижение пластового давления в напорных водоносных горизонтах вызывает депрессионное уплотнение песчано-глинистых пород, возникают проседания и провалы земной поверхности. Б процессе осушения водоносных карбонатных пород развиваются суффозионно-карстовые процессы.

В результате анализа изменения естественного режима подземных вод в районах разработки железорудных месторождений выделены две основные группы задач гидрогеологического прогнозирования -прогноза гидродинамического режима и прогноза изменения качества подземных вод. При решении этих задач использовались работы многих исследователей по гидрогеологии месторождений полезных ископаемых и,.математическому моделированию (В.Д.Бабушкин, И.К.Гавич, М.С.Газизов, И.Е.Жернов, И.И.Крашин, В.й.Лялько, о.А.Мироненко, Ю.А.Норватов, Н.И.Плотников, С.П.Прохоров, Ь.Г.Румынин, Ь.М.Чуй-ко, Б.М.Шестаков и др.).

Во второй главе устанавливаются и анализируются основные особенности осушения железорудных месторождений в сложных геолого-гидрогеологических условиях на примерах месторождения КМА и Л)жно-Белозёрского месторождения, приуроченных к сложлодислоциро-ванноцу комплексу докембрийских пород, перекрытых мощно;! толщей осадочных отложений, содержащих в разрезе от о до о рэдоногных горизонтов. Эти месторождения характеризуются также и весьма

- В -

сложными инженерно-геологическими условиями разработки, обусловленными распространением в разрезе различных по физико-механический свойствам пород - от крепких скальных до рыхлых и пластичных^ и развитием горно-геологических явлений в горных выработках. Освоение таких месторождений требует применения предварительного водопонижения, а затем и длительного эксплуатационного осушения водоносных комплексов с помощью различных водопонизительных и оренажных устр^Чств, откачивающих значительное количество подземных вод.

Во взаимосвязи с указанными особенностями рассмотрены основное требования, предъявляемые на современном этапе к системам осушения ддя обеспечения высокого уровня организации горного производства с применением мощной горной техники. Подчеркиваете}! важность выделения требований гидрогеологической, технологической й социально-экономической направленности.

Обобщение и анализ опыта осушения выполнены по Лебединскому, Стойленскоцу и Михайловскому месторождениям, разрабатываемым сарьерами, а также по глубокозалегаицему л^жно-Белозёрскому месторождению, отрабатываемому шахтным способом.' Осушение этих месторождений осуществляется комбинированным способом, сочетающих внешние водопонизительные системы скважин и подземные дренажные устройства.

Основным источником формирования водопритоков в Лебединский и Стойленский карьеры является' сеноман-альбсиий водоносный горизонт (-ВО %), питающийся за счет атмосферных осадков и инфильтрации вод из р'.Оскольца, искусственных водоемов и намывных шла-мохранилищ. Продолжительное производственное водопонижение на карьерах при общем водоотборе около II тыс. лг/ч привело к формированию взаимодействующих воронок депрессии, которые распространились на Ь-12 км от месторождений, захватив в зону своего влияния действующие водозаборы и р.Осколец. ¿1ело-мергельная толща в контурах горных разработок полностью осушена,' разгрузка се-номан-альбекого водоносного горизеита идет по подошве песков, уровень подземных вод в руднокристаллической толще снижен на 65'«> м. Установлено, что резко нестационарный режим фильтрации, характерный для первого этапа эксплуатации месторождений, сменил-

ся близким к стационарному, 'что обусловлено относительной близостью дренажных систем'карьеров к источникам дополнительного питания водоносных горизонтов (хвостохранилшца Лебединского и Стой-ленского ГОКов, Старооскольское водохранилище, гидроотвалы.вскрышных пород и т.п.). Рост депрессионных воронок прекратился вследствие выравнивания величин питания и водоотбора подземных вод.

На Михайловском месторождении свыше 90 % водопритока в карьер формируется за счет подземных вод подкелловейско'го комплекса 1батский, девонский и руднокристаллический водоносные горизонты), из которых ~ 70 % приходится на батский водоносный горизонт. Доказано, что водопонижение в батском горизонте более интенсивно происходит в результате перетекания его вод в руднокристалличе-скуга толщу, дренируемую подземными горными-'выработками, чем под влиянием водопонижалщих скважин и сквозных фкльтров. В процессе эксплуатации месторождения активное осушение привело к сработке запасов подземных вод батского и руднокристаллического водоносных горизонтов. Депрессионная воронка достигла участков выклинивания батских песков, расположенных;в Ю-20 км от карьера. Уровни подземных вод в батском горизонте снижены на 60-70 м, в руднокрис-талличёском - на 100 м и более. Ь последнее, время на месторождении наблюдается рост водопритока в карьер с 1750 до ¿£>00 м /ч, что связано с отжатием поровых вод из юрских глин. Широкое развитие в надрудной толще песчано-глинистых пород, обладающих небольшой прочностью и низкой водоотдачей, интенсивно набухающих и разуплотняющихся при увлажнении, способствовало образованию на бортах карьера различных деформаций. При проходке подземных горных выработок по мере встречи тектонических зон отмечались прорывы воды с притоком до 4 тыс. м^/ч и выносом до Ю тыс. м песча-но-глинистого материала.

В соответствии с принятой системой отработки ккно-Белозёр-ского месторождения подземным способом с закладкой выработанного пространства твердеющим материалом основную роль в обводнении горных выработок играет нижний водоносный комплекс, объединяющий бучакский, меловой и руднокристаллический водоносные горизонты.

На месторождении под влиянием шахтного водоотлива в нижнем водоносном комплексе сформировалась обширная депрессионная ворон-

ка, радиус влияния которой в отдельных направлениях превышает 3) км. Активное осушение привело к сработке и истощению запасов подземных вод. На современном этапе производительность дренажной системы стабилизировалась на уровне 2000 м^/ч, что соответствует динамическим запасам подземных вод нижнего комплекса.

ь результате осушения в пределах зоны влияния дренажа произошло развитие процессов вторичного уплотнения в песчано-гли-нистых породах надрудной толщи, что привело к оседанию земной поверхности до 3 м. Ь надрудной толще четко стали проявляться процессы перетекания между водоносными горизонтами. Произошло изменение минерализации откачиваемых вод. На северном фланге месторождения дренажные воды в основном пресные, что объясняется переливом больших объемов воды из бучакского горизонта в рудно-кристаллический. На южном фланге, где бучакские пески изолированы от руднокристаллической толщи слабопроницаемыми мело-мергель-ными отложениями, в горные выработки разгружаются глубинные рассолы с минерализацией 60-70 г/л. Они подтягиваются из глубоких зон руднокристаллического массива.

С учетом опыта осушения месторождений в главе рассматриваются основные принципы схематизации гидрогеологических условий при решении задач осушения, такие как непрерывность осуществления схематизации по мере накопления информации, адаптация расчетных схем, обратная связь схематизации с природными и горнотехническими особенностями изучаемого месторождения. Ь сравнении дается характеристика основных методов гидрогеологических прогнозов (аналитический метод, методы математического моделирования).,

Изложены результаты экспериментальных исследований, при которых на численной гидродинамической модели выявлялась значимость задаваемых различных величин фильтрационных характеристик пород для формирования водопритоков к подземным горным выработкам. Исследования выполнялись применительно к расчетной схеме, отражающей условия дренирования водоносного комплекса, состоящего из двух хорошо проводящих слоев и слабопроницаемого разделяющего слоя. В каждом из хорошо проводящих слоев допускался напорный, напорно-безнапорный и безнапорный фильтрационный поток. Режим

фильтрации в разделяющем слое считался упругим при наличии начального градиента фильтрации. Пределы изменения параметров выбирались исходя из опыта осушения месторождений. Обработка и обобщение экспериментальных данных выполнялись графически в безразмерных координатах, что позволило получить ряд расчетных графиков, отражающих в обобщенном виде Зависимости

Оп/й^-Ц 1^/ТиНи'/(Ть-Т„),пР« Кс/та=Ю*г- Ю"?

где Оп - величина перетока из верхнего пласта в нижний;

(К - водоприток в горные выработки;

ТвДн - коэффициенты водопроводимости верхнего и нижнего пластов;

- расстояние между границей дренажа и внешним контуром области фильтрации;

- интенсивность инфильтрации;

Нь ~ .Уровень подземных вод на внешней границе области фильтрации;

Ко,№о ~ коэффициент фильтрации и мощность слабопроницаемого слоя.

Экспериментальными исследованиями установлено, что водоприток к подземным горным выработкам, вскрывающим слоистые толщи, существенно зависит от параметров слабопроницаемого разделяющего слоя и в меньшей степени рт соотношения параметров водоносных пластов. При Ко/то">10~° свыше ¿о % притока вод к горным выработкам-формируется за счет перетекания вод из вышележащего пласта через слабопроницаемый слой. При Ко/то ^водоприток к горным выработкам формируется за счет подземных вод пласта, в котором расположены горные выработки. Ь этом случае разделяющий слой изолирует водоносные горизонты. Изменение Тв/Ти от 0,о до э,0 приводит к снижению притока вод к горным выработкам не более чем на Ю %.

И третьей главе изложены и проанализированы геолого-гидрогеологические условия Яковлевского месторождения КЫА, выполнен анализ производственного водопонижения в период 1УВ4-1УУ0 гг.

У геологическом строении месторождения принимают участие два генетически различных комплекса: докембрийский кристаллический комплекс фундамента платформы, сложенный плагиогранитами архея и метаморфическими породами протерозойского возраста, и перекрывающий его мощный комплекс горизонтально залегающих осадочных аород ас, эозойского и мезо-кайнозойского возраста мощностью 460-630 м. Породы докембрия сложно дислоцированы, разбиты тектоническими нарушениями, в верхней части сильно выветрелые. Богатые железные руды залегают среди выветрелых железистых кварцитов на глубинах 4Ш-Э90 м и образуют мощную (до 300 м) полосо-образную залежь средней шириной 441) м.

Гидрогеологические условия месторождения характеризуются наличием в разрезе 7 водоносных горизонтов. Толща киммеридж-окс-фордских глин мощность» ЗЬ-ЬЬ м разделяет водоносные горизонты на два гидравлически не взаимосвязанных комплекса: верхний, Объединяющий третичный, мергельно-меловой, сеноман-альбский и волжский водоносные горизонты, и нижний, представленный нелло-вейским, каменноугольным и руднокристаллическим водоносными горизонтами.

Б соответствии с принятым подземным способом отработки рудного тела с твердеющей закладкой выработанного пространства основное участие в обводнении горных выработок будут играть гидравлически взаимосвязанные каменноуольннй и руднокристаллический водоносные горизонты и в меньшей степени нелловейский водоносный горизонт, отделенный от нижележащей каменноуольной толщи мощным шестом водоупорных бат-байосских глин (30-50 м), играющих роль ^х-^ опального водоупора. На отдельных участках мощность глин уменьшается до 10 м, где р нарушенных условиях, вероятнее всего, осуществляется гидравлическая связь келловейского горизонта с каменноугольным.

1'^лловейский водоносный горизонт приурочен,к толще песков мощностью 25-55 м с многочисленными маломощными прослоями песчаников, реже глин. Коэффициент фильтрации варьирует в пределах 0,3-2,2 м/сут. Каменноугольный водоносный горизонт развит в толще известняков мощностью 20-Ш м, переслаивающихся со сланцеватыми и углистыми глинами. Коэффициент фильтрации горизонта изме-

няется от 0,01 до 10,0 м/сут зависимости от степени трещинова-тости и закарстованности пород.

Руднокристаллический водоносный горизонт приурочен к трещиноватой зоне коры выветривания кристаллических пород и зонам разломов. Наиболее проницаемы железные руды, коэффициент фильтрации которых варьирует от 0,04 до 0,<:ь м/сут. Сланцы и кварциты характеризуются слабой водообильностью, их коэффициент фильтрации не превышает 0,01 м/сут.

Существенную значимость имеет то обстоятельство, что наличие глинистых отложений в подошве каменноугольных пород, плотных переотложенных руд и карбонатизированных бокситовых образований в кровле руднокристгллической толщи затрудняет взаимосвязь этих горизонтов.

Защиту горных выработок от подземных вод предусмотрено осуществлять комбинированной системой осушения: поверхностными во-допонижающими скважинами и подземными горными выработками с дренажными устройствами.

Ь процессе исследований установлено, что за счет интенсивного расширения фронта горных работ на горизонте минус м происходит рост притоков воды к горным выработкам (до 300 м^/ч в 1990 г.). В результате водоотбора значительно снижен уровень подземных вод руднокристаллического горизонта в районе шахтных стволов (300-350 м к 1УУ0 г.).

С целью более детального изучения условий взаимосвязи подземных вод каменноугольного и руднокристаллического водоносных горизонтов на месторождении с <¿4 октября 19оВ г. по 26 марта 1989 г. с участием автора было проведено опытное водопонижениё в руднокристаллическом водоносном горизонте, первостепенной задачей которого являлось количественное определение параметров перетекания между изучаемыми горизонтами, т.к. до сих пор имелась разноречивая количественная оценка взаимосвязи этих горизонтов Ш.М.Чуйко, 1969 г.; А.М.Порохняк, 19сЙ г.; ь.Г.Румынин, 19ао г.). вместе с тем от степени взаимосвязи указанных горизонтов существенно зависит обводненность полезного ископаемого и горних выработок, химический состав дренажных и рудничных вод, выбор о^гги-

мальной системы осушения, очистки и использования откачиваемых вод.

иткачка осуществлялась из четырех водопонижаюцих скьахин с суммарным дебитом от Ьэ до ItiU ы /ч. При максимальном водоот-боре снижение уровней подземных вод в руднокристаллическом горизонте достигло ¿30 м, в каменноугольном - ib м. Незначительное понижение уровня в каменноугольной толще связано с её большой водообильностыо и вместе с тем указывает на затрудненную взаимосвязь с руднокристаллическим горизонтом.

По результатам опытно-фильтрационных работ были выполнены графоаналитические расчеты с целью уточнения фильтрационных свойств горных пород руднокристаллического массива, каменноугольной толщи и слабопроницаемого разделяющего слоя применительно к расчетной схеме неограниченного напорного руднокристаллического пласта, получающего дополнительное питание из каменноугольного водоносного горизонта за счет перетекания через слабопроницаемый слой. Получены следующие средние значения гидрогеологических параметров соответственно для каменноугольного и руднокристаллического водоносных горизонтов: коэффициент водопроводимости 90 и ÍÜ лг/сут, коэффициент пьезопроводности 8*10 и Ь»Ю м/сут. Слабопроницаемый разделяющий слой характеризуется коэффициентом фильтрации м/сут, параметром перетекания £00 м.

Четвертая глава посвящена разработке и адаптации численной модели фильтрации подземных вод Лковлевского месторождения, ь ней рассматриваются методика и основные результаты идентификации модели прогноза гидродинамического режима подземных вод на период отработки первоочередного участка ЦУЛ-1999 гг.).

При схематизации гидрогеологических условий была принята модель планово-пространственной фильтрации подземных вод в трехслойном водоносном комплексе, включающая взаимосвязанные через слабопроющаеиый разделяющий слой каменноугольный и руднокрис-тадлический водоносные горизонты, а также учитывающая наличие перетока подземных вод из келловейского горизонта. Решение фильтрационной задачи реализовано в программе ШОР методом конечных элементов на ЭВМ EC-I022. Программа предусматривает задание точечных источников (стоков) в каменноугольном и руднокристаллическом водоносных горизонтах, моделирует перетекание в рассматриваемый трехслойный комплекс из выше- и нижележащих водоносных

слоёв и предназначена для решения напорных, напорно-безнапорных и безнапорных задач фильтрации подземных вод. и слабопроницаемом разделяющем слое режим фильтрации считается упругим при наличии начального градиента фильтрации.

Фильтрационный поток исследуемой области моделировался треугольной сеткой, состоящей из ¿73 узловых точек, входящих в 5оЗ конечных элемента. По внешней границе на модели реализованы IV Ш рода, позволяющие учитывать расширение области фильтрации в процессе осушения цутем введения дополнительного фильтрационного сопротивления. Нижняя граница принята в соответствии с глубиной распространения тектонических разломов (абс. отм. минус вОО м). Откачка из опытных скважин и водоприток к горным выработкам реализованы на модели ГУ 11 рода 0 = /(4.) в соответствии с натурным режимом дебитов водопонижающих скважин и фактическими данными о водоотборе из горных выработок горизонта минус 425 м.

Идентификация модели исследуемому гидрогеологическому объекту проводилась на основе фактических данных о напорах подземных вод и водопритоках к горным выработкам и дренажным устройствам, для трех характерных состояний исследуемой гидрогеологической системы:

- стационарного режима фильтрации подземных вод в период 1956-1958 гг.;

- нарушенного режима фильтрации подземных вод в период опытного водопонижения в каменноугольном водоносном горизонте в 19591961 гг.;

- нарушенного режима фильтрации подземных вод в условиях производственного водопонижения в руднокристаллическом водоносном горизонте в период 19й4-1988 гг.

Результаты решения задач по воспроизведению процесса фильтрации в период указанных трех состояний системы в доцустимой степени идентичны фактической обстановке (невязка между модельными и фактическими уровнями подземных вод менее 10 м). В ходе их решения были уточнены фильтрационные параметры каменноугольного и руднокристаллического водоносных горизонтов и разделяющего слоя.

В процессе исследований на прогнозный период с использованием численной модели была выполнена оптимизация режима работы дренажной системы. Рациональное количество эксплуатационных водо-понижающих скважин и дренажных кустов восстающих скважин определялось подбором в ходе многовариантного моделирования.

При оптимизации установлена возможность отказа от эксплуатации восстающих скважин, заложенных на каменноугольный водоносный горизонт из горных выработок порожнякового и вентиляционного квершлагов горизонта минус м в слабопроницаемых известняках лежачего бока. Обоснована также целесообразность отказа от сооружения восстающих скважин на каменноугольный горизонт из горных выработок откаточного штрека, так как они не оказывают существенного влияния на осушение первоочередного участка горных работ.

Прогноз режима уровней и водопритоков к участку горных работ выполнен исходя из возможности наращивания водоотбора с помощью водопонижающих скважин и постепенного перехода на водоотбор из восстающих скважин с обеспечением осушения каменноугольного водоносного горизонта практически до подошвы известняков.

Методика реализации дренажных кустов восстающих скважин выработана в процессе исследований на объемной электролитической модели. При заданной конструкции дренажного куста определялся его дебит Ц к с учетом натурных гидрогеологических условий заложения скважин. Дополнительное фильтрационное сопротивление ф^ , обеспечивающее переход от дренажного куста к совершенной вертикальной скважине с эквивалентным водоотбором й< и радиусом Ъс , соответствующим приведенному радиусу куста, рассчитывалось по форцуле

ф» а* 2хт '

где $ - понижение в скважинах, дренажного куста;

К. - радиус влияния водоотбора из дренажного куста;

Т - коэффициент водопроводимости пласта.

При расположении в расчетном блоке нескольких дренажных кустов суммарное сопротивление определялось исходя из условия параллельного подключения отдельных сопротивлений в узел модели для от^

ражения приведенного радиуса обобщенной дренажной системы. Суммарное дополнительное фильтрационное сопротивление для задания ГУ Ы рода в узел модели рассчитывалось в определенной последовательности сложением сопротивлений, учитывающих замену дренажных кустов совершенной вертикальной скважиной и несоответствие натурных и модельных размеров скважины или обобщенной дренажной системы.

Результаты моделирования показали, что осушение первоочередного- участка горных работ будет достигнуто при водоотборе из каменноугольного водоносного горизонта 700-1ь00 м /ч, из руднокри-сталлического - 200-400 м^/ч. Переток в каменноугольный горизонт составит из келловейского горизонта 22о м /ч, из руднокристалли-ческого - Ьи м^/ч.

Установлено, что при понижении напоров подземных вод происходит оседание земной поверхности. К концу 1990 г. оно составило более Ю см. ь дальнейшем это может привести к значительным вертикальным и^горизонтальным деформациям массива горных пород, вызывающим появление опасных напряжений в крепи шахтных стволов. Ь качестве защитной меры по предупреждению этих явлений предложен специальный способ релаксации напряжений. Он заключается в восстановлении статического давления, снижающегося вследствие водо-понижения, путем закачки дренажных вод в каменноугольный пласт через нагнетательные скважины, располагаемые вблизи шахтных стволов.

Методика решения задачи такого управления деформациями массива горных пород на численной модели заключалась в подборе в троцессе многовариантного моделирования расхода закачки воды в шгнетательные скважины, располагаемые вокруг стволов по эллипсовидному контуру с осями 1*0-200 м, с целью поддержания вокруг ¡тволсв в радиусе 1э0 м уровня подземных вод, близкого к естест-эенному. Результаты моделирования показали, что для поддержания ) районе шахтных стволов требуемого уровня подземных вод необхо-1имо осуществить закачку воды в каменноугольный пласт в количест-1е ьоо (1991 г.) - 1000 ма/ч (19УУ Г.). Помимо подъема уровня одземных вод в каменноугольном горизонте произойдет, под влияни-м закачки, увеличение водопритока в дренажную систвцу рудника на

£75-790 {Г/ц. В руднокристадлическом водоносном горизонте уровень подземйд вод в районе шахтных стволов повысится на 2-4 м, водоприток к горным выработкам увеличится незначительно - на 3В ¡г/ч. Переток подземных вод в каменноугольный пласт из рудно-кристаллической толщи уменьшится на 15-25 м^/ч. Проведенные исследования подтверждают наличие весьма затрудненной взаимосвязи указанных горизонтов в лежачей соку месторождения. Это согласовывается и с характером геологического разреза за пределами рудной полосы, где имеет место развитие водоупорных разделяющих пород.

В пятой главе характеризуются результаты исследований качественного состава подземных вод и выполнен прогноз изменения ветчины минерализации и химического состава дренажных вод в условиях эксплуатации Нковлевского месторождения.

В процессе анализа данных гидрогеохимического опробования в'естественных условиях выявлена гидрогеохимическая зональность подземных вод по площади распространения каменноугольного водоносного горизонта, менее отчетливо она прослеживается в вертикальном разрезе. Вдоль северо-восточной границы распространения горизонта в области с наибольшим активным водообменом и на выступах кристаллического фундамента вблизи участков выклинивания известняков развиты в основном гидрокарбонатные кальциевые и ыагниево-к&льциевые воды с минерализацией 0,2-0,5 г/л. По мере погружения горизонта в юго-западном направлении и усложнения условий его питания наблюдается постепенный переход вод в хлорид-ные натриевые с минерализацией до 14,0 г/л (г.Муром). Непосредственно в районе Яковлевского месторождения распространены хло-ридно-гидрокарбонатные натриевые воды с минерализацией от 0,40,5 до 1,2-1,4 г/л.

В руднокристаллическом водоносном горизонте гидрохимическая зональность прослежена вдоль кровли кристаллического фундамента в направлении его погружения на юго-запад. В зоне активного водообмена в пределах свода кристаллического массива расположены гидрокарбонатно-хлоридные кальциевые воды с минерализацией 0,51,2 г/л, закономерно сменяющиеся по мере погружения фундамента хлоридными натриевыми с минерализацией до 15,8 г/л (г.Муром) и

более. В районе Яковлевского месторождения подземные воды рудно-кристаллического массива в природной обстановке характеризовались преимущественно гидрокарбонатно-хлоридным натриевым составом с минерализацией 0,9-1,4 г/л.

Й процессе исследований установлено, что в условиях длительного водоотбора на месторождении происходит повышение минерализации и изменение химического состава подземных вод рудокристалли-ческого горизонта. Прослеживается интенсивное повышение минерализации дренажных вод, отбираемых отдельными опережающими скважинами при проходке горных выработок на горизонте минус 425 м, с 1,4 г/л 11964 г.) до 5,5-6,0 г/л (1990 г.). В период опытно-производственного водопонижения в руднокристаллическом водоносном горизонте также отмечалось повышение минерализации откачиваемых вод с 1,1 до 2,1 г/л (1968-1990 гг.).

В целях прогнозных расчетов проведена схематизация изменения качественного состава подземных вод по площади и глубине распространения каменноугольного и руднокристаллического водоносных горизонтов. Принято ступенчатое распределение минерализации подземных вод. Результаты схематизации представлены в виде графиков с=Лх),о/(н).

Прогноз изменения минерализации подземных вод выполнен на период отработки первоочередного участка (1991-1999 гг.) с использованием известных аналитических зависимостей смешения. Величины расходов фильтрационных потоков приняты по результатам моделирования. К концу прогнозируемого периода площадной трансгрессии подземных вод каменноугольного горизонта к контуру дренажа не произойдет, минерализация дренажных вод повысится до 1,0 г/л за счет привлечения вод руднокристаллического массива. Концентрация хлора в водах возрастет в четыре раза, натрия - в два раза, содержание фтора составит 3,3 мг/л.

По фактическим данным по этой же методике проведены эпргноэ-ные расчеты изменения минерализации дренажных вод руднокристаллического водоносного горизонта. Относительная погрешность расчета составила 4-9 %. Выполнение прогнозных расчетов показало, что минерализация дренажных вод руднокристаллического горизонта увеличится к 1999 г. до 6,4 г/л. Это произойдет в результате субверти-

-во-

кального подтягивания минерализованных подземных вод из глубинных гидрохимических зон руднокристаллического массива. Содержание фтора достигнет Ь,0 мг/л.

11а основе прогнозных величин водопритоков и качества дренажных вод даны предложения по их использованию: пресных вод - для хозяйственно-питьевого водоснабжения, вод с повышенной минерализацией и некачественным составом - для водоснабжения в технических целях и в целях строительной индустрии. Показана возможность сохранения удовлетворительного качества дренажных вод за счет отдельного отбора вод из каменноугольного и рудкокристаллическо-го водоносных горизонтов, когда существует вероятность подтягивания к дренажным устройствам глубинных рассолов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ь заключении приведены основные результаты выполненных исследований:

1. На основе обобщения и анализа опыта осушения железорудных месторождений Ю4А и Южно-Белозёрского месторождения установлены особенности осушения месторождений со сложными геолого-гидрогеологическими и горнотехническими условиями разработки, определены задачи гидрогеологических прогнозов в целях оценки эффективности эксплуатации водопонизительной и дренажной систем.и возможного изменения качества дренажных вод.

2. Проведенные экспериментальные исследования на численной гидродинамической модели позволили установить решающее значение фильтрационных свойств слабопроницаемого разделяющего слоя в формировании водопритоков к подземным горным выработкам в условиях взаимодействия двух водоносных горизонтов.

3. Предложена методика реализации на численной гидродинамической модели дренажных кустов восстающих скважин в условиях их интенсивного взаимодействия на участках ведения горных работ.

4. Выполненные опытно-фильтрационные исследования в рудно-кристаллическом водоносном горизонте на Нковлевскоы месторождении в 19ДО-1989 гг. позволили уточнить фильтрационные свойства пород руднокристаллического массива, каменноугольной толщи и

- а -

слабопроницаемого разделяющего слоя. На основе полученных данных сделан вывод о наличии затрудненной взаимосвязи каменноугольного водоносного горизонта с руднокристаллическим в пределах рудной полосы.

5. Прогноз изменения уровней подземных вод и водопритоков

к дренажной системе в условиях эксплуатации месторождения позволил обосновать целесообразность отказа от эксплуатации дренажных кустов восстающих скважин, заложенных на каменноугольный водоносный горизонт из горных выработок порожнякового и вентиляционного квершлагов и откаточного штрека, а также определить, что осушение первоочередного участка горных раб о1? будет достигнуто при водоотборе из каменноугольного,, горизонта 700-1600 м^/ч, из руд-нокристаллического - <¡00-400 м^/ч. При этом переток вод в каменноугольный пласт составит из келловейского водоносного горизонта 225 „3/ч, из руднокристаллического - оО м^/ч.

6. йпервые применено численное моделирование для решения гидродинамических задач управления деформациями .осушаемого массива горных пород в целях предотвращения уплотнения песчано-глинистых пород и деформации шахтных стволов. Предложен специальный способ защиты шахтных стволов, заключающийся в восстановлении статического давления, снижающегося при водопонижении, путем закачки дренажных вод в каменноугольный пласт в количестве 6001000 м /ч для поддержания вокруг шахтных стволов в каменноугольном водоносном горизонте уровня подземных вод, близкого к естественному.

7'. выявлена гидрогеохимическая зональность подземных вод каменноугольного и руднокристаллического водоносных горизонтов по площади и глубине распространения.

<3. Результаты прогноза изменения качественного состава дренажных вод показали, что к 1999 г. площадной трансгрессии минерализованных вод каменноугольного горизонта к контуру дренажа не произойдет. Минерализация дренажных вод повысится до 1,0 г/л за счет ожидаемого перетока подземных вод из руднокристаллического массива. Минерализация дренажных вод руднокристаллического водоносного горизонта увеличится до 6,4 г/л вследствие субвертикального подтягивания минерализованных вод с глубины. На основе ре-

зультатов прогнозных расчетов даны предложения по использованию дренажных вод.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

х. Об использовании дренажных вод в системе водоснабжения Железногорского промышленного района Кп1А // Тезисы докл. к науч. техн. семинару "Гидрогеол. исследования при разведке и освоении м-ний полезных ископаемых в связи с охраной геол. среды". - Белгород: ВИОГШ, ХУЬб. - С. 40-41..

2. Способ оценки эффективности подземных дренажных устройств. - Белгород: ЦНТИ, информ. № Ьй-о, 19вй. - 3 е..(соавтор А.Б.Зубова).

3. Влияние эксплуатации хвостохранилищ на обводненность горных выработок и гидрохимический режим врд Гороблагодатского месторождения // Вопрось! экспл. хвостохранилищ и охраны окруж. среды: Сб. науч. тр. / ВИОГЕЫ. - Белгород, 1У<3<3. - С. 142-14в (соавторы: А.В.Зубова, А.К.Гейс).

4. Использование результатов гидрохимических исследований при освоении месторождений полезных ископаемых // Рациональное использ. и охрана недр в черной металлургии: Сб. науч. тр. / БИОГЕМ. - Белгород, 1990. - С. 13-16 (соавторы: А.и.Зубова, Г.П.Пономарева).

о. Глубокий дренаж, при^подземной разработке Яковлевского и Гороблагодатского месторождений // ^опросы освоения м-ний в сложных геол.-ги&рогеол. условиях: Сб. науч. тр. / ВИОГЬМ. -Белгород, 1991. - С. 6-10 (соавтор А.М.А.Забейда).

6. Прогнозные расчеты в целях осушения железорудных месторождений и рационального использования подземных вод // Вопросы освоения м-ний в сложных геол.-гидрогеол. условиях: Сб. науч. тр. / ИЮЛЕМ; - Белгброд, 1991. - С. 21-24 (соавтор А.ь.Зубова).

Подписано в печать 27.07.93 г. Зак. 79. «ормат 60x90А/16. Л^-изд.л. 1,0. Тираж 100 экз. Бесплатно.

Ротапринт ВСЕГИНГЕО Московская обл., Ногинский р-н, пос. Зеленый