Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Прогнозная оценка изменений гидрогеологических условий при отработке и осушении железорудных месторождений западного борта Тургайского прогиба

ВАК РФ 04.00.06, Гидрогеология

Автореферат диссертации по теме "Прогнозная оценка изменений гидрогеологических условий при отработке и осушении железорудных месторождений западного борта Тургайского прогиба"

академия наук казахской сср

Институт гидрогеологии и гидрофизики им. У. М. АХМЕДСАФИНА

На правах рукописи СКИДАНОВ Александр Тихонович

УДК (556.3:550.812):028.175:553.31 (574.21 )

ПРОГНОЗНАЯ ОЦЕНКА ИЗМЕНЕНИЙ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ПРИ ОТРАБОТКЕ И ОСУШЕНИИ ЖЕЛЕЗОРУДНЫХ Л\ЕСТОРОЖДЕНИЙ ЗАПАДНОГО БОРТА ТУРГАЙСКОГО ПРОГИБА

Специальность 04.00.00 — Гидрогеология

автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Алма-Ата — 1990

Работа выполнена в Институте гидрогеологии и гидрофизики АН КазССР им. У. М. Ахмедсафина

Научные руководители: доктор технических наук — В. В. Веселов, кандидат геолого-минералогическнх наук — Т. Т. МАХМУТОВ

Официальные оппоненты: доктор геолого-мннералогических наук — К. М. ДАВЛЕТГАЛИЕВА, г. Алма-Ата, кандидат геолого-минералогнчсских наук —• В. Ф. НАПРЕЕВ, г. Алма-Ата

Ведущая организация: производственное геологическое объединение «Севказгеология»

Защита состоится « £ 6» декабря 1990 г.

в 10 _час. на заседании специализированного Совета К,. 008.19.01 по присуждению ученой степени кандидата геолого-минералогических наук при Институте гидрогеологии и гидрофизики им. У. М. Ахмедсафина АН КазССР по адресу: 480100, г. Алма-Ата, ул. Красина, 94.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института гидро-геолопш и гидрофизики им. У. М. Ахмедсафина АН КазССР.

Автореферат разослан «1А » ноября 1990 г.

Ученый секретарь специализированного Совета,

кандидат геолого-минералогических наук

М- Х' ДЖАБАСОВ

• ■ оауя ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

■с,• :АЙгуалькость проЗлеин. Одно Л из тенденций развития ото-.

^чей^^ф;:, а так^е зарубежно.": горнорудной промышленности ¿¡¡¡даяяоТСТР вовлечение в отработку месторождений полезных ископаемых, характерезующихся все более сложными гидрогеологическими условиями и высокой обводненностью. С этим, во многом, связаны технологические сложности в отработке мзстороздениЯ, а также увеличение экологической нагрузки на геологическую среду горнорудных районов. Обострение этой проблемы усиливд-стся в связи с повыпепннми требованиями современных законодательных актов по охране окружающей природной среды.

В полной мере отмеченное относится к одной из крупнейших сырьевых бао металлургической промышленности - Кустанайской железорудной зоне, приуроченной к западному борту Тургайского прогиба и простирающейся в субмеридиональном направлении шириной 50 ... 100 и протяженностью до 600 км. Здесь разведана группа крупных магнетитовых месторождений, в том числе отрабатываемых: Соколовское, Сарбайское, Качарское, Куржункуль-ское, обеспечивающих в отрасли страны 10 ... 12 % добычи железной руды.

В пределах зоны имеются также месторождения осадочных бурожелезняновьк руд, наиболее крупное из которых - Лисаков-ское - находится в отработке. . южной части зоны разведана группа бокситовых месторождений, приуроченных к коре выветривания палеозойских пород, отрабатываемых Краснооктябрьским бокситовым рудоуправлением.

■' Большинство разведанных и отрабатываемых месторождений характеризуется значительной обводненностью рудовмещающих и покровных пород. Это приводит к необходимости как предварительного, так и эксплуатационного осушения месторождений, что г ^ебует выполнения болыаих объемов дренажных работ. Затраты на эксплуатационное осушение месторождений района на различных стадиях тт.^ отработки составляют до 10 ... 15 /¡> от себестоимости руды.

В связи с неполнотой получаемой в процессе геологической разведки информации, при строительстве ч эксплуатации горнорудных предприятий требуются систематические корректировки

гидрогеологических прогнозов II проектных решений по осуиению. Наилучшей основой для этого являются результаты предшествующего опыта осуыения V данные опытно-фильтрационных наблюдений, выполняемых в процессе отработки месторождений, чему уделяется большое внимание в горнопромышленной гидрогеологии. Анализ состояния вопроса показывает,что более полноз использование от;гх данных в повышении надежности гидрогеологическ-.гх прогнозов и эффективности дрена;;:ных работ требует дальнейшего развития теоретических обобщений и методов исследований

Дня рассматриваемого района в отношении обобщения опыта гидрогеологических прогнозов, а также дренажных работ наиболее важное значение имеет исследование результатов осушения Соколовского и Курнункульского месторождении., которым в работе уделено основное внимание. Сто связано с те:.:, что по сложности гидрогеологических условий отработки указанные месторождения характеризуются наибольшим различием. Соколовское месторождение обводняется в основном за счет самого мощного в районе мелового водоносного горизонта, а на Куржункульском месторождении этот горизонт отсутствует.

Актуальность рассматриваемой проблемы обусловлена также тем, что с достоверностью гидрогеологических прогнозов при отработке месторождений тесно связана обоснованность решений по использованию и отводу дренажных вод, рациона.' ному распределению водных ресурсов района.

Цель работы - повышение надежности гидрогеологических прогнозов на основе полного использования данных опытно-фильтрационных наблюдений, проводимых в процессе отработки месторождений и обеспечение эффективности их осушения с учетом требований охраны окрукшцоЯ среды. Основные задачи исследований:

исследование факторов формирования водопритоков при осушении месторождений района;

разработка научно-методических основ типизации месторождения района по степенч их обводненности и сложности гидрогеологических условий отработки;

развитие методов прогнозирования водопритоков из налегающих водоносных горизонтов системам осушения месторождений во взаимодействии с изменением их дреттруацого зфре;:та во рременн;

с;

- и -

исследование закономерностей изменения химического состава дренажных и подзем:¡их вод в процессе отработки месторождений;

развитие методов интерпретации результатов опитно-фильт-рационних работ при исследоьанти неоднородности фильтрационных свойств тектонически дцслоцчрованннх и закярстопаинцх пород рудовмещающих комплексов, обоснование способов их осушения в увязко с развитием горних работ;

разработка оптимального комплекса мероприятий по эксллуа-тащта систем осугасшя и водоотводепия месторождений с учетом аадач обеспечения нормальных условии ведения горных работ и охраны окружающей среды.

Идеи решения проблемм э постановочном алане заключаются во всестороннем исследоважпт к теоретическом обобщении результатов осушения месторождений и данных опмию-^/ильтрационних наблюдений, г< систематическом сопоставлении с требованиями обеспечения нормалышх условий ведения горних работ на основе принципа обратно.! связи; в прикладном плане - повышении надежности гидрогеологических прогнозов и эффективности осушения -в изучении и использовании особенное гей гидрогеологического строения месторождений и функционирования дреназшкх устройств.

Общая методика исследований основана на применении: аналитических методов подземной гидродинамики и прикладных разделов теории вероятностей с использованием экспериментальных данных, получаемых при проведении опытно-фильтрационных наблюдений и работ, ре;:;пмных гидрохимических опробований, лабораторных испнтаний и физическом моделировании по изучению проницаемости пород; численных экспериментов с помощью ЭЗМ при решении обратных и прогнозных гидрогеологических задач; методов практического анализа и теоретиче 'со го; обобщения получаема результатов и литературно-фс ндо к их материалов.

(/^осноранность згит^аемых положений обеспечивается представительностью и достоверностью исходных данных, корректностью постановок эа,ф.ч и применения методов исследований, а та1гле проверкой адекватности получаемых выводов эксг-римен-тально и подтверждением прогнозов при реализации разработанных рекомендаций по осушению месторождений.

Научная и методическая новизна "работы заключается ъ еле-

дующем: I. Теоретически обоснован подход к гидрогеологическим прогнозам при отработке месторождений как к оценке производительности систем осу^пия и их дренирующего э^екта и разработана методика его реализации для налегающих водоносных горизонтов, осушаемых подземным способом; 2. Разработана основанная на гидравлическом подходе методика прогноза водопритоков из трещиноватых гетерогс.нно-неоднородних пород и системе подземных горных выработок с учетом их развития; 3. Установлены и исследованы некоторые особенности, имеющие закономерный характер пространственной ишленш'вости фильтрационных свойств трещиноватых пород, обусловленные неоднородностью поля геотектонических напряжений в приконтурных зонах нарушений. Определены закономерности изменения проницаемости этих пород по глубине и вблизи литологических контактов; 4. Получен вывод и исследованы количественные данные об изменениях проницаемости песков в налегающих водоносных горизонтах за счет изменения напряженного состояния и разрушения их природной структуры при подработке очистными горными выработками; 5. Исследованы количественные показатели изменения природного водообмена на техногенно нарушенных территориях под влиянием отработки месторождений.

Практическая значимость работа заключается в повышении надежности гидрогеологических прогнозов за счет прттменения полученных в работе и проверенных экспериментальна зависимостей, доведенных до вида, приемлемого доя инженерных расчетов, и разработке соответствующих конкретным условиям рекомендаций по совершенствованию осушения месторождений и охране окружающей среды.

Реализация работы. Результаты исследований имеют практическое применение на Соколовско-Сарбайском горно-промьшленном объединении (ССГТШ- при обосновании развития эксплуатационного осушения месторождений и разработке мероприятий по охране и рациональному использованию водных ресурсов.

I. Выводы, полученные на основе применения разработанных методов прогнозирования эффективности осушения налегающего водоносного горизонта в меловых песках и результатов экспериментальных работ по повышению дренирующего эффекта восстающих скважин были исгю^.'.зованы при проектировании и создании участка опытно-промьшленного осушения и отра-

ботки с обрушением блока 50-60, а также в проекте осушения при вскрытии и подготовке горизонтов -260 и -340 м.

2. На основе прогнозов, полученных с учетом установленных закономерностей пространственной изменчивости фильтрационных сеойств трещиноватых пород рудовмещающего комплекса, разработаны рекомендации, позволившие рационально скорректировать проектные решения по осушению, а также оптимизировать схему водо-отведения на Куржункульском руднике;

3. Результаты прогнозов, выполненных с применением уточненных для техногенных территорий и карьеров натурными исследованиями и расчетными методами составляющих показателей водного баланса накопителей и испарителе:! дрен&тско-сточных вод, используются ССГПО при разработке водоохранных мероприятий;

4. Отдельные положения и результаты работы ислользосаны з утверзденньгс ГЮ СССР отчетах по разведке Качарского мссторок-дештя железных руд и оценке эксплуатационных запасов дренажных сод для технического водоснабжения, отражены в согласованных

с оргш!ами Госгортехнадзора инструкциях по гидрогеологическое и инженерно-геологическому обслуниванию рудников ССГПО.

Апробация работ;:. Основные положения диссертационной ра-боси докладывались на Региональная науч:го-технической конференции "Методы и практика математического моделирования при разработке мссторо-хдс-ниП в сложи»гс геолого-г'тдрогеологичссинх условиях" (г.Белгород, 1902 г.), Всесоюзном научном семинаре "Подземная разработка местороздоияй в сложных условиях" (Ковши, 1082 г.); Всесоюзном научно-техническом семинаре "Гидрогеологические исследования при разведке и освоении полезных ископаемых в связи с охраной геологической среды" (г.Белгород, КШ г.); на зоседаьиях секции ПТС по вопросам осушения и гидротехники института ГПОГЕЛ (г.^елгород, 1979 ... 1937 г.); на расширенном заседании лабораторий Института гидрогеологии л гид, фюкки АН КазССР (Алма-Ата, .1990 г.).

Публикации. Ло томе исследований опубликовано 10 научных ра1"*'т, п том число одна монография (в соавторстве), две р- -работки автора гризнанн '»эобретенитят и зяздчцеьи прторекпт с в идо тельствами.

Структура и об-ъем работы. Диссертация состоит из введения, б глав, основных результатов и исподов, списка литсфатурн из

117 наименований, иллюстрируется 42 рисунками и 10 внутритекстовыми таблицами. Общи.! объем диссертации 19 7 страниц.

/'сходный фактический материал положенный в основу диссертации, получен в процессе работы автора в 1975 ... 1987 г. в составе гидрогеологической режимной партии института ВлСГЕМ по обслуживанию горнорудных предприятий Министерства металлургии СССР в Северном Казахстане.

Автор считает своим долгом выразить благодарность научным руководителям доктору технических наук В.В.Веселову и кандидату геолого-минералогических наук Т.Т.Ыахмутову за научно-методическую помочь в процессе исследований и подготовки диссертации, а также выражает признательность за оказанную поддержку в работе профессору С.Б.Шапарханозу, кандидату технических наук А.И.Ков&яенко, кандидатам геолого-минералогических наук Ю.М.Беликову, И.Е.Гурееву, Н.Б.Денчику,> М.Б.Е&игенову, В.В. Сону, гидрогеологу дренатлой шахты Т.В.Соломиной, коллегам-сотрудникам института В'ЮГЕМ и ПГО "Севказгеология".

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ В первой главе приводится характеристика природных условий формирования подземных вод и основных водоносных горизонтов и комплексов района.

Формирование, распространение и режим подземных вод зависят от комплекса климатических и орогидрографнчеслнх факторов, а также, геолого-структурных особенностей территории. Рассматриваемый рамен расположен в северной, приуроченной к бассейну р.Тобол части ТУргайской равнины.

Систематическое изучение гидрогеологии района начато в пятидесятые годы двадцатого века при непосредственном участит? Д.Д.Топоркова, Л.Н.Губарева, Э.О.Дервиль, В.М.Миловидова, Ю.М. Беликова и др. Полученные при этом результаты исследований легли в основу ряда научных обобщений, наиболее известными из которых являются работы по проблемам оценки ресурсов подземных вод и их использования, выполненные У.М.Ахмедсафиным, Ж.С. Сыдыковым, С.М.Мухамеджановым, В.С.Жеваго, С.М.Шапиро, В.Ф. ШлыгиноГ:, М.Х.Джабасовым, С.Я.Жапархановым, Р.М.Курмангалиевым и др.

Равнинный рельеф при раи.'юстраненности бессточных котловин и слабом развитии гидрографической сети п целом благоприлт-

ствуют янфяльтрационноцу питанию подземных вод. В то же время, небольшой слом осадков (250 ... 350 мм/год), высокая испаряемость (560 ... 1200 мм/год), неблагоприятные условия строения геологического разреза для водообмена являются причинами значительной распространенности застойного режима подземных вод, :гс повышенной минерализации и дефицита вод питьевого качества.

Неблагоприятные в цело!.! условия вертикального водообмена связаны с приуроченностью района к Тургайскому прогибу, где в геологическом разрезе мезокайнозойского осадочного чехла преобладает этажно-посдоГное залегание пород различной проттцасмос-ти - от высокопроницаемых песков до водоупорных глин. Общая мощность осадочных пород - песков, песчаников, опок, суглинков, глин - преимущественно составляет до 150 м.

Складчатые структуры палеозойского фундамента з прогибе сложены осадочными, осадочно-еулканогсннымн и эффузивными метаморфическими породами (песчаники, конгломераты, сланцы, аргиллиты, известняки, порририты, туфртш и др.), осложнена разрывными тектоническими нарушениями и интрузиями. Эти структуры в домзлолое время подвергаюсь процессам денудации с образованием кори выветривания мощностью до 70 м.

Практически повсеместное распространенно толщи, достигающей на отдельных участках 60 п, глин чеганекой спиты (верхний эоцен - нтгхший олигоцен) опредс:; -ет выделение в районе двух ГВДрОДИНЗМИЧесКИХ зон.

Верхняя зона, включающая подземные води над толщей чеганских глин (четвертичная верховодка и нсогеп-олигоценовый водоносный горизонт) и полностью залегающая вше местного*базиса стока (поймы рек) в целом характеризуются более благоприятными условиями водообмена и инфильтрационного питания. Для нижней зоны, включающей палеоген-меловой . палеозойский водоносные комплексы, разделяемых глинами коры выветривания, преобладающий типом питания является региональны!!. Определенная часть питания нижней зоны, что подтверждается исследованиям, автора, обеспечивается за ^чет перетекания из верхней зоны на участках, приуроченных к понижениям эрозионной кровли чеганск х глин, ,

Во второй главе рассмотрены состояние надежности прогнозов гидрогеологических условий отработки месторождений района " анализ опыта их ооуления. В проводимых до настоящего времени

гидрогеологических работах на месторождениях района характерны недостаточная детальность исследований и их необоснованная ограниченность по площади. 3 работе отмечается, что при оценке гидрогеологических условии отработки месторождений проявляется упрощение этого многостороннего понятия, определенное его прямое отождествление с величиной водопритоков, количеством водоносных Горизонтов и др. показателями. Все это, во-многом, является причиной неподтверждения гидрогеологических прогнозов. На месторождениях района прогнозные притоки были завышены в 2 ... 8 раз. Последствиями этого являются неадекватность проектных решений по.осушению месторождений природным условиям и снижение их эффективности.

Исходя из анализа опыта осушения всех отрабатываемых рудных месторождений района показана актуальность исследований региональных особенностей формирования подземных вод, питания водоносных горизонтов, как необходимого условия надежности прогнозирования водопритоков, что требует выполнения соответствующего этапа исследований. На этой методической предпосылке в работе обосновывается подход к региональной типизации гидрогеологических условий отработки месторождений, заключающийся в следующем.

Гидрогеологические условия отработки конкретных месторождений, в общем случае, определяются тем, насколько полно в геологическом разрезе вовлекаемого в осушение массива горных пород представлено соотношение выделенных в районе водоносных горизонтов и комплексов. В связи с этим, в первую очередь, следует различать месторождения с полезными ископаемыми в осадочных породах верхней гидродинамической зоны и месторождения, приуроченные к нижней гидродинамической зоне. •

По этому признаку выделяется группа бурожелезняковых месторождений, залегающих в палеогеновых осадочных породах, и группа железорудных скарново-метасоматических магнетчтовых, а также бокситовых месторождений, рудовмещающими которых служат . скальные породы фундамента.

Так как подземные воды верхней гидродинамической зоны характерны практически для всех месторождений района, отличия гидрогеологических условие .есторождений второй группы в основном связаны с наличием или отсутствием в разрезе палеоген-ме-

лосого водоносного горизонта. Представленность палеогеи-мелово-го горизонта единым слосм или системой двух, реже трех слоев, разделенных, как правило, относительно водоупорными, в различной степени Социально изменяющимися песчано-глинистыми породами, фильтрационные параметры разделяющих и водоносных слоев, • их граничные условия предлагается рассматривать в качестве про- ■ ледующих показателей типизации гидрогеологических условий месторождений.

В отношении рудовмещающих пород месторождений второй группы основные отличия гидрогеологических условий отработки связаны с различной степенью распространенности и обводненности имеющих'широкое развитие в районе тектонических нарушений, за-карстованньк карбонатных пород и песчаников, интенсивности проявления гидравлической связи палеозойского комплекса с палеоген-меловым горизонтом и верхней гидродинамической зоной.

'Гакке, практически для всех месторождений второй группы, залегающих гипсометрически ниже речных долин, и месторождений первой группы, находящихся в подобном соотношении с ближайшими озерными котловинами', важнейшим ({¡актором, определяющим обеспеченность ресурсов питания подземных вод, яачлется степень гидравлической связи водоносных горизонтов с указанными йодными объектами. Проявление этой связи, в целом, зависит от проницаемости пород в массиве между месторождениями и »одними объектами, а также от их удаленности.

Правомерность изложенного подхода находит едва подтверждение в кратком анализе опита осушения, рассмотренном в последовательности усложнения гидрогеологических условий отработан месторождений района: Лисаковского, Куржункульского, группы бокситовых нзеторовдений, Качарского, Сарбайского и Соколовского.

3...третьей глава выполнена' исследования и прогноз ьффек-тш-люети осушения осадочной толщи,"разработаю? рзкоме/дадтгч по", развитии дреншглчх работ на Соколовском кесторзждении.

1Гз отраба'шпаешге кзетероаденпй района, Соколоаскее кес-тсрсяденио, вжная часть которого отрабатывается открытый (с 1955 г.), а сесерная - подземным (с 1968 г.) способами, характеризуется наиболее сложными условия?.!». Это связано о распространением здесь всех выделенных в районе основных водаао'Сньк

гзризонтов, их высокой водообильностью, обусловленной существенной модностью водопроницаемых пород, благоприятными условиями икфильтрационного питания для верхней гидродинамической зоны. Таете сказывается интенсивная гидравлическая связь нижней гидродинамической зоны с водами аллювиальных отложений р.Тобол, протекающей в 3 км южнее месторождения и врезанной в меловые пески, их повышенная проницаемость в массиве-мевду месторождением и рекой.

На эффективность осуиения месторождений района значительное влияние оказывает кольматация фильтров скважин. Наряду с применением известных методов,'в работе влияние кольматации определяется на основе исследования режима работы Дренажных скважин с использованием методов теории случайных функций, под которыми при этом понимается изменение во времени дебитов отдельных скважин. Это позволяет з наявном виде учитывать как природные, так и технологические фактора, влияние которых накладывается на процесс фильтрации, описываемый применительно к данному случая известным репэнием для скважин, работшцих в ре-йямэ постоянного понижения. При этом совместно решаются устанавливаемые предварительно по данным режимных наблюдений эмпирические зависимости изменения во времени ( Ь ) дебитов дренажных скбшотн ( 0, ) и мощности водоносного горизонта ( И ) в пределах области их влияния: > г., ч

(Я =\Г I "у; 5

которые на Соколовском месторождении аппроксимируются уравне-ншши экспоненциального вида. Зависимости системы ( I ) представляются в относительном выражении, т.е. ^тчальные значения, дебитов и мощности принимаются за единицу. Возможность выделения в общей потере производительности скважин факторов кольматации ( ), уменьшения напоров водоносного горизонта на контуре питания ( ФН ) м и режима работы скважин с постоянным понижением ( Ч5 И ) определяется корректностью решения гидродинамической задачи, которое в данном случае выполнено методом численного м. .злированил. Результаты исследований представляются в виде трех графиков изменения дебитов во времени:

позволяющих вццелить указанные факторы. Так, за 5 ... О лет

- гз -

работы производительность скважин шахтного поля за счет снижения напоров на контуре питания уменьшилась на 17 ... 23 %, а. за счет кольматации фильтров на 45 ... 70 ■

Отмеченное диктует необходимость наряду с принятой практикой прогнозирования в области осушения месторождений, оценке водопритоков (или напоров при задаваемом водоотборе) дополнительно выполнять прогноз влияния кольматации фильтров на дебиты скважин и выход их из строя, и .таким, образом, прогнозировать эффективность дренажных работ, использ; понятие производительности системы осушения, а не водопритсков к ней.

IIa основе теоретических предпосылок известного решения о кольматации, согласно которому граница зоны пркфильтровой кольматации рассматривается подвижной, а скорость ее распространения пропорциональна квадратному корна времени работы скважин (Веригин H.H., 1963 г.), и использования результатов наблюдений получена зависимость, описывающая динамику выхода скважин из строя вследствие кольматрции:

• Ш - ВЪ , ( 2_)

где т. - расчетная частость еыходе скважин из строя, А и ö -параметры, характеризующие долю не введенных по технологически,! причинам в работу скважин и интенсивность выхода trx из строя,равные для сквозных ' фильтров 0,2400 и 0,0084 год-- и для ьосста-ющих скважин - 0,0068 и 0,0128 -од""1.

Идея предложенной в работе методики прогнозирования производительности системы осушения налегающих водоносных горизонтов заключается в исследовании и. применении временных трендов статистических функций распределений дебитов дренажных скважин, аппроксимируем!« в данном случае с наилучшей сходимостью фикцией Грама-Шарлье. Предварительно проводится типизация и районирование системы осушения по xapar. :ру режимов дренажных скважин и решается обратная задача. Общая производительность (Qfc) сис-- темы опушения определяется следующим выражением, представлении;.) в матричном виде: „

° Qt= X ' N , ( '

•где y,=(x,..-.XL...%K)! Xt-QfPt »

Ql = ( Pl-Pj-Pm^ NL=(n(...ni...nm^

К, -. количество групп скважин; n - количество скважин в

15-й группе; и Р^ - средний дебит л ^ -м интеррале и его вероятность; тп - количество интервалов аппроксимаций функций распределения деб"тов.

На основу полученных результатов разработан комплекс мероприятий, позволивших повысить эффективность как отдельных дренажных 'устройств, так и системы осушения в целом, которые заключаются в улучшении конструкций фильтров'сквшнгн, способов ьосстановления их дренирующего эффекта, обосновании направлений развития осушения месторождения.

В частности, для карьера в Период его реконструкции в 1979 г.обоснована возможность защиты западного борта от подземных вод- без проходки дополнительного дренажюго штрека за счет ввода в работу высокодебитных скважин, в 1979 ... 1980 г. обоснованы мероприятия по первоочередному развития внутреннего дренажного контура на шахтном поле путем бурения восстающих скважин, обеспечим"* понижений уровней мелового горизонта над участками добычных работ на площади 0,5' Ю1"1 м^в среднем на б м, что соответствует остаточной мощности горизонта 5 ... 6 м, приуроченной к слаЗопроиицаемым глдагистым пескам с коэффициентом фильтрации не более I м/сут.

В четвертой главе проведены исследования гидрогеологических условий подзечно* отработки Соколовского месторождения и прогноз водопритоков к горным выработкам из рудовмещающего комплекса. 9 связи с распространенностью обводненных карстовых и тектонических зон, особенно а северной части месторождения, где залегает около 30 % запасов руды шахтного поля, существует ' опасность прорывов и выноса в горные гыработки водонасьаценных обломочных пород, проявления их ползучести. Запасы сдренитрованных вод закарстоваиных участков шахтного поля составили I,I'10^ мэ, а гидравлическая связь при этом прослеживалась на сотни метров, встречались.также локализованные зоны с ограниченными запасами воды до 5* Ю3 м3. За период отработки месторождения обводненные зоны вскрывались более 60 опережающими и разведочными скважинами с начальными дебитами преимущественно до 60 м3/ч.

Наряду с многообразием обводненных зон по размерам, форме, природе пустотност'», проявляется и общая закономерность п динамике сработки их запасов, для которой получека прибли-

женная зависимость вида:

О^ои-ЫлЪ) . ( 4 )

где и - расходы п момент Бремени Ь ?! начальный; а я Ъ - эмпирические коэффициенты, характеризуйте обводненность покрываемой зоны и интенсивность уменьшение расхода во времени, равные соответственно 0,62 и 0,10 при выражении 1 в мес.

При графического представлении выражение ( 4 ) в динамике изменения расходов воды четко выделяет, оя три периода. В начальный период продолжительностью в среднем 2,5 мес. происходит интенсивное уменьшение расхода на 50 ... 60 % от начальна значений. При этом в среднем из вскрытых йен истекало 16"ТО3 м3 воды, из них около 15 % со'.лвляти запасы в полостях, непосредственно связанных с вскрывающими скважинами. Последующий период от 2,5 до 7 ... 8 мес., отвечающий 01фестностям точки перегиба графика Чс/Оо Ъ) можно определить как переходный в соотношении источников расхода дрешфуемой воды: происходит относительное уменьшение в расходе запасов непосредственно водообильной зоны и увеличение фттльтрационного расхода из окружающего массива. Завершающий период, продолжительностью от нескольких месяцев до 15 лет и более, отличается наименее ' интенсивным монотонным уменьшением расхода, обеспечиваемого за счет фильтрации.из окружающего массива.

Учитывая, что около 60 % водопритоков из рудовмещающих пород обеспечтпзиотся за счет расходов из разведочных опережающих скважин и шпуров, а остальная часть за счет выходов из трещин, динамика раг года которых также может описываться выражением ( 4), в работе обоснована методика прогнозтфования водопритоков в увязке с объемами проходки горных выработок и направлениями их развития. Начальные притоки к выработкам принимаются пропорциональными их протяженности, а влияние глубин залегания учитываются на основе районирования массива по обводненности. Общий приток ( ) при этом определяется как интегральная суша притоков к отдельным участкам с учетом срока службы и календарного графика пуоходки выработок:

где п - продолжительность горных работ с начала их ведения в единицах принятого интервала времени сЛ ; ^ - количество участков (забоев) проходки в I -й интервал времени; и ^ -протяженность проходки и глубина заложения выработки (от кровлг водоносного комплекса) в 'и -й интервале времени на ] -ом участке; с и ¿1 - эмпирические коэффициенты равные соответственно' 12,05 и 2,50 при гЛ равном 12'мес.

Предварительно решается обратная задача, для чего выражение ( 5 ) преобразуется к линейноцу виду в полулогарифмических координатах, что позволяет получить значения коэффициентов С и ¿1 •

Прогнозные расчеты показали, что с развитием горных рабоч на руднике следует ожидать уменьшения общих-водопритоков, величина которых в 2000 г. составит 39 м3/ч.

Применяемая на Соколовском руднике технология отработки с закладкой выработанного пространства не всегда обеспечивает сохранность целиков в бортах и потолочинах камер и не гаранта рует от прорывов налегающих рыхлых обводненных пород покроено' толщи. Результаты исследований, с учетом натурных опытных работ и наблюдений, изучения свойств подрабатываемых песчано-глинистых пород в условиях объемного напряженного состояния лабораторными методами показали, что при решении вопросов совершенствования подземной отработки месторождения необходимо учитывать возмоЕНш проявления ползучести обрушенных пород, уменьшения до 50 ... 60 % проницаемости меловых песков в прп-контурных зонах обрушений за счет развития опорного давления и разрушения их структуры, также экранирующее цлиянке обру-шаешдх глин, имеющее рремеиный, неустойчивый характер,

В пятой главе рассмотрены методика и результаты исследований фильтрационной неоднородности трещиноватых пород рудо-вмещающего комплекса Кургункульскога месторождения, Основные проблемы в осушений месторождения связаны с обзодненкастьи рудовмещающих трещиноватых «Ород, (соторыо, как известно^ отличаются значительной фильтрационной неоднородностью, Шейте с . тем, в процессе исследований установлен ряд общих закономерностей- в пространс чанной изменчивости фильтрационных свойств пород, заключающихся в следующем.

I. Общее /меныпение проницаемооти пород с глубиной их залегания, обусловлено в основном (на 80 ... 85 %) уменыпё-

нием в этом направлении частости водопроводяцих зон, тол кал в пределах самих зон проницаемость изменяется несущественна. Ото следует т<гз анализа закономерности изменения по глубине предложенного автором в качестве критерия проницаемости, и шеицего размерность скорости, отношения tyj/M- Сказанная зависимость аппроксимируется выражением:

с^/М = Еегр (-ДН) , • (6)

где » М и Н - уделымй приток водопроводящей зоны, и3/сут.м, и ео мощность и глубина залогакил, м; Е и Д -коэффициенты, получае:«з из результатов расходоизтрии скваяин л разные 0,23 м/сут и 0,0046 и .

В пределах глубин отработки месторождения проницаемость наиболее глубоко залегающих зон отнсительно залегшощих в кровле комплекса меньяэ в 3 ..4 раза, в то время как общая проницаемость массива уменьшается на один два порядка, в среднем в 20 раз.

Кая и при рассмотрении задачи об Изменении по глубине трещиноватых пород в целом, в данном случае получение теоретического обоснования применения функций экспоненциального вида "при существующей изученности вопроса возможным не представляется, В работе на основе анализа результатов исследований Ко-'пыстянсйого P.C., Рапа Н.В., Чернышева С.Н. и др. показано,-что при EOOüOsiSK давлениях, отвечающих глубинам вскрываемых пород на Кур:."упкульс:ссн местороадентти и низких прочностных свойствах млнералов*заяолнитеяей трещин,- хлорита, гематита, пренита, гипса, кальцита, - причиной уменьшения проницаемости ¡монет быть юдьмаемость трещин. Элементарные блоки ьзроды при зтсм следует рассматривать как жесткие конструкции массива,-а предполагаемая сшкаеиость составит 20 ... 40 %. Учитывал кубическую, а общем случае, степень зависимости расхода воды в трещинах от их ширины, это будет соответствовать уменьшению проницаемости в 2 ... 5 раз и Примерно отвечает показанному вше соотношению проницаемости водопроводящих" зон на максимальных и минимальных глубинах..

2. На глубинах 80 ... 100 м от кровли наблюдается выравнивание значений проницаемости известняков и остальных пород '(порфиритов, туффнтов, метасоматитов)• , что свидетельствует о затухании карстопроявлений на этих глубинах.

3. Вследствие существенного отличия водопроводимости известняков и остальных пород, определенной в соответствии с установлеюшми зависимостями изменения проницаемости по глубина и равной соответственно 24 и 4 м^/сут, палеозойский водоносный комплекс в плане разделяется на две зоны..

4. На основе обобщенного прослеживания изменения проницаемости пород в направлении от тектонических нарушений к срединным участкам блоков установлена одна из неизученных особенностей проявлении тектоники в фильтрационной неоднородности трещи-ноЬатых пород: нарушения оперяются зонами пониженной проницаема ети пород даже относительно средних участков блоков с максимумами ее проявления в 30 ... 40 м от нарушений. Непосредственнс а зонах нарушений проницаемость пород на порядки выше относительно остальных участков массива. Учитывая изменение проницаемости пород (коэффициента фильтрации -к. ) по глубина (И ), прослеживание при этом необходимо проводить в координатах:

(гпм/н • (7 5

где Ет - расстояние точки опробования от тектонических нарушений. По мнении автора, такой характер фильтрационной неоднородности связан с концентрацией зон напряжений в оперявщих уч&сгках тектонических нарушений, что подтверждается анализом литературных данных в области геомеханики. Согласно этил Даниил ншфякения на указанных участках могут превысить в 2 ... 3 и более рьэ, опредялемые вне зон влияния тектонических пару- • иений.

5. Проницаемость известняков ьблиэи их контактов с породит рудоносной зоны и осадошю-з$$огзш»ого комплекса с целей уменьшается. Характер изменения пронкцайност» в зтои случае такжз исследовался по изменения отношения ( 7.). При от см получено следующей шражеиие, определяемо комплексное влияииз на проницаемость известняков их удаленности от контакта о указанными породами ( -Кл. ) и "глубины залегания ( Н ):

« (а)

гдй Ц « 1,03 и 7 = 5,57,. коэффициент, пепуиаешв пг опеп-з-ршдаальтзл данным, и вцраямекыэ в н/сут и при рааюрнэи-1Ш Ъ в и/су\, а к Н в а. Етеяниа кгнттзв паиб»доо интенсивно сказывается в пределах 20 к, а ""суцас'ГЁошмдо. 60 и, прячем о возрастанием глубкн' шяеноивн^ть влияния узе-'

дгпппзаетсл.

Установленные закономерности легли в основу схематизации водоносного комплекса при прогнозе водспритоков к месторождению и разработки рекомендаций по его осушению. Водопритоки на конец отработки составят около 100 м3/ч, что значительно меньше принятых в проекте осушения (685 м3/ч). Осушение рудовмеща-гощих пород по крайней мере до отметки +120 м рекомендовано производить с помощью водоотлива из опережающего зумпфа, отказавшись тем самым от сооружения II водопонизительных скважин первой очереди.

Вопросы осушения песков олнгоценового горизонта, залегающего полосообразным пластом в южной части карьерного поля и приуроченного к Лисаковскоыу месторождению пресных подземных вод, необходимо решать в комплексе с задачами охраны водных ресурсов. В связи с этим, на флангах вскрытия пласта карьером рекомендовано сооружение противофильтрациончых завес, а в период развития карьера осушение песков производить приоткосными дренажными канавами.

В шестой главе исследованы экологические аспекты нарушения пр'тродного режима подземных вод горнорудными предприятиями района. Отработка и осушение Соколовского и Сарбайского месторождений явились наиболее значительным фактором изменения природного режима подземных вод района в ходе его хозяйственного освоения. Это обусловлено длительным сроком отработки и значительными расходами отбора подземных вод при осушении месторождений, общая величина которых за последние 10 лет составляет (80 ... 90)Ч03 мэ/сут.

Изменение состава подземных и дренажных вод в процессе осушения месторождений находится в определенном соответствии с изменениями гидродинамического режима и водообмена. Для нижней гидродинамической зоны в этом сказались инверсия потока подземных вод в массиве между карьерами и рекой и увеличение инфильтрационного питания. Это.приводит к опреснению вод мелового горизонта и, в меньшей мере, палеозойского комплекса.

Максттмалыюе влияте фильтрационного расхода из реки на опреснение наблюдается на южном фланге дренажного контура Соколовского месторождения, где за период осушения (с 1957 г.) на участке протяженностью 350 м с расходом 2500 м3/сут м*»не-

- ¿и -

рализация вод мелового горизонта уменьшилась с 4,4 до 2,3 ... 2,2 г/л. На юго-западном и юго-восточном участках, с расходом около 5400 ы3/сут, где сказалось также увеличение инфильтра-ционного питания, минерализация вод уменьшилась соответственно с 4,5 до ?.,0 и с 4,3 ... 3,0 до 2,0 ... 1,0 г/л.

Минерализация вод палеозойского комплекса, поступающих к опереяеащим зумпфам карьеров и водосборнику на глубоких горизонтах Вспомогательной шахты увеличивается в связи с понижением горных работ и соответственно привлечением подземных вод глубоких горизонтов. Для верхна!: гт»дрод"намической зоны влияние горнорудных предприятий, наряду с отбором подземных вод карьерными дренажами, сказалось в привлечении дополнительного питания за счет нарушения условий поверхностного стока осадков, утечек из гидротехнических коммуникаций. При этом, дополнительное питание преобладает над расходами природной разгрузки и дренажа в карьерах, что приводит к понижению уровнен и загрязнению подземных вод.

Таким образом, наиболее общей тенденцией в изменении состава подземных и дренаяных вод в процессе осушения является увеличение неоднородности их качества. Это указывает на необходимость внедрения раздельного отбора и использования дренажных вод, являющегося одним из направлений уменьшения отрицательных экологических последствий влияния горнорудного производства на окружающую среду, а такле решения проблемы избытка дренакно-сточных вод, величина которого по исследованиям автора составляет около 16'10^ м3/год.

~ Возможными мероприятиями по приведении" в соответствие объемов доенажно-сточных вод и испарения являются: исключение из систем оборотного водоснабжения опресненных карьерных вод с расходом 13'Ю3 м3/сут (4,7'Ю6 ы3/год), а такке вод шахты Шная-2 с минерализацией до 3 г/л и расходом 25'Ю3 м3/сут (9*10® м3/год) при проведении работ по ограничению их загрязнения. Д1Я этого потребуется переброска вод опережающего зумпфа из системы шахты Южная-2, применение дополнительных очистных установок и возможно захоронение наиболее минерализованных и загрязненных вод,- опережающих зумпфов карьеров и водоотлива шахты Вспомогательная,расход которых составляет 8'К3 м3/сут (2,9-Юб м3-'

На Куржункульском руднике одна из особенностей в решении водоохранных задач связана с тем, что в общем балансе дренажно-сточных вод территории земельного отвода дренажные минерализованные воды составляют незначительную часть, не более 13 %. Общее поступление дренажно-сточных вод к озеру Нукай* которое используется в качестве накопителя составляет 7,0"10° м3/год, в том числе поверхностного стока осадков - 3,8" 10®, дренажных вод - 0,9*10°, промстоков - 0,3*10^, подземного питания озера -2,0* Ю6 м3/год.

Основные рекомендуемые направления по ограничению отрицательного влияния нарушения природного водообмена на окружающум среду при отработке месторождения, основанные на результатах исследований автора, заключаются в следующем: защита ресурсов пресных вод олигоценового горизонта путем сооружения противо-фильтрационной завесы на флангах его вскрытия карьером и раздельный отбор этих вод в период развития карьера; использование оэ.Нужай в качестве постоянного накопителя на весь срок отработки месторождения (до 2020 г.). При этом, с целью обра- • зования отсеков для раздельного"сбора пресных дренажных вместе с незагрязненными сточными водами и загрязненных сточных и соленых вод из опережающего зумпфа карьера, минерализация которых увеличится до 6 ... 9 г/л, необходимо сооружение разделительной дамбы в озере.

Основные результаты и выводы работы заключаются в следующем.

I. На формирование водопритоков к Соколовскому месторождению оказал влияние ряд неисследованных ранее особенностей гидрогеологического строения и функционирование дренажных устройств. 3 основном это связано с уменьшением прошчдаемости меловых песков в направлении от южного фланга месторождения к северно;,г/ и с возрастанием глубины их залегания, а также влиянием факторов "старения" дренажных устройств. Исследование этих особенностей позволило обосновать методику и выполнить прогноз производительности системы осушения в отношении палео ген-мелового горизонта; обосновать рациональное направление развития осушения шахтного поля,'заключающиеся в проведении дренажных работ непосредственно в районе опытных блоков, об г, пе'чивающее осушение меловых песков до остаточной мощности

Ь ... 6м; разработать рекомендации по восстановлен™ дренирующего эффекта скважин, технологии их бурения и конструкциям фильтров.

2. На основе исследования количественных зависимостей изменения расходов при вскрытии водообильных зон в рудовмеща-ющих породах скважинами и горними выработками, разработана методика и выполнен прогноз водопритоков в увязке с развитием подземных горних работ. С развитием горных работ на подземном руднике следует ожидать уменьшения притоков из рудовмещаищих пород к 1995 ... 2000 г. до 53 ... 39 м3/ч.

3. В отношении перспектив применения на Соколовском руднике систем отработки с обрушением необходимо учитывать возможность уменьшения в приконтурных зонах обрушений в результате изменений напряженного состояния массива проницаемости меловых песков на 50 ... 60 %, проявлений свойств ползучести обрушенных пород, а также временный характер экранирующего влияния обрушенных глин.

4. Наиболее важными тенденциями изменения состава подземных и дренажных вод при <х:уакннмМ Соколовского и Сарбайского месторождений являются опреснение вод палеоген-мелового горизонта под влиянием фильтрационного расхода из реки и увеличения поступления вод из верхней гидродинамической боны; увеличение минерализации дренажных воц палеозойского комплекса за счет привлечения соленых вод глубоких горизонтов с развитием горных работ в глубину, что, в целом, приводит к увеличен™ неоднородности качества дренажных вод. Это диктует необходимость раздельного отбора дренажных вод -;зтом их качества, соответствующего переустройства систем осушения, водоотведения и промышленного водоснабжения рудоподготоЕительных комплексов с целью уменьшения экологической нагрузки на окружающую среду от нарушения природного водообмена.

5. Дальнейшее рапвитне методов исследований позволило установить закономерности пространственной изменчивости Фильтрационных свойств трещиноватых рудокмсщающих пород района на примере Курчсункульского месторождения. Уменьшение общей проницаемости пород ма-* - <ва с глубиной обусловлено в основном уменьшением в этом направлении частости и мощности водопрово-дпщих зон. 0 ючена тенденция проявления зон пониженной, отно-

стельно остальной части массива, проницаемости пород в оперениях тектонических нарушений с максимумами понижения проницаемости в 30 ... 40 м от нарушений. Это обусловлено особенностями напряженного состояния массива в приконтурных участках нарушений. Проницаемость наиболее водообильных пород - известняков, вблизи их контакта с породами рудоносной зоны и осадочно-эффузивного комплекса уменьшается. Наиболее интенсивно уменьшение проттцаемости сказывается в пределах 20 м от контактов. На расстоянии от контактов более 60 м изменение проницаемости несущественно. На основе полученных результатов разработан прогноз водопритоков к карьеру, а также рекомендации по его осушению и водоохранные мероприятия.

б. Результаты исследований работы находятся в хорошем соответствии с данными натурных наблюдений и подтверждаются практически при реализации разработанных рекомендаций. Фактический экономический эффект, подтвержденный соответствующими справками, при внедрении результатов работы в производство составил 890 тыс.рублей, в тон числе долевое участие автора 250,3 тыс. рублей.

Основные положения работы отражены в следующих публтгка-

циях:

1. Анализ и прогноз работы дренажных скважин методами математической статистики на примере системы осушения Соколовского месторождения // Методы и практика математического моделирования при разработке месторождений в сложных геолого- . гидрогеологических условиях / pwrEM. - Белгород, 1982. -

С. 84 ... 85.

2. О влиянии барометрического фактора на результаты' опытно-фильтрационных работ // Методы и практика математического моделирования при разработке месторождений в сложных геолого-гидрогеологических условиях / ВИОГЕМ. - Белгород, 1982. - С. 82 ... 84.

3. Повышение эффективности и надежности дренажных и наблюдательных скважин на Соколовском подземном руднике // Гидрогеологические прогнозы при разработке месторождений полезных ископаемых / ВЧОГЕМ. - Белгород, 1982. - С. 43 49. (соавторы Волков Ю.Й., Косяков С.М., Орел В.М.).

4. Вероятностная оценка осушенности водоносного горизон-

та при сложной морфологии водоупора (на примере Соколовского подземного рудника) I/ Гидрогеологические прогнозы при разработке месторождений полезных ископаемых / ВИОГЁМ. - Белгород, 1982. - С. 67 ... 69.

5. К воплосу осушения Соколовского подземного рудника П Подземная разработка месторождений в сложных условиях / М., 1982, - С. 31 ... 33 (соавторы Коваленко А.И., Верин C.B.).

6. Результаты опытно-промышленных работ по осушению Соколовского подземного рудника Ц Гидрогеологические расчеты и технические средства осушения месторождений полезных ископаемых / ВИОГШ. - Белгород, 1983. - С. 34 ... 36 (соавторы Коваленко А.И., Верин C.B.).

7. Опыт и направления интенсификации осушения Соколовско го подземного рудника // Горный журнал. - 1983. - № 12, С.

17 ... 19 (соавторы Коваленко к.И., Соломина Т.В.).

8. Гидрогеомеханическая оценка условий горных работ на Соколовском подземном руднике // Управление геомеханическими процессами на горнодобывающих предприятиях Минчермета СССР / ВИОГШ, - Белгород, 1986. - С. 55 .... 58 (соавтор Гуреев И.Е.).

9. Уточнение гидрогеологических условий Дуржункульского карьера в процессе эксплуатации с целью, охраны источников водоснабжения // Гидрогеологические исследования при разведке и освоении полезных ископаемых в связи л охраной геологической среды / ВИОГЕМ. - Белгород, 1986. - С. 39 (соавторы Гуреев U.E., Васильев М.М., Сон В.В.).

10. Гидрогеологические условия месторождений Кустанайской железорудной зоны. - Алма-Ата, Наука. 1987. 136 с. (соавторы Жапархаяов С.Ш., Сон В.В.).

11. A.C. 1245686 (СССР) МКЧ4 кл. E2IB43I08 Фильтр восстающих дренажных скважин / Скиданов А.Т., Щин А.Г., Волков Ю.И., Синев B.C. (СССР). - Заявлено 18.12.1984. Опубл. 23.07.1987. Бюл. №27.

12. A.C.' 1268285 (СССР) МКИ4 Кл. Е 21 В 4132 Скважинный Оцльтр / Волков Ю.И., Пономаренко Ю.В., Юдин А.Г., Скиданов А.Т. (СССР). - Заявлено 09.09.1985; Опубл. 07.07.1987. Бюл. ' № 5.

.............. ;

Тип. Мншранса КаэСС|\ Зак.^ДЛ- л Тир. IC0 «990 г.¿7/