Специальные гидрогеологические исследования при разработке рудных и нерудных месторождений

Во многих случаях гидрогеологические условия оказы­ваются неблагоприятными или мало благоприятными для разработки различных месторождений полезных ископае­мых. Приток воды в горные выработки может быть настоль­ко большим, что борьба с ним становится невозможной или невыгодной. При этом, конечно, следует отличать приток воды поверхностной, попадающей в выработки через устья шахт, от подземной, попадающей через зияющие трещины горных пород. В первом случае гидрогеологу нечего делать при организации борьбы с поступающими в шахты или другие горные выработки водами: это скорее дело гидротехника. Он должен наметить способы отвода поверхностных вод или наладить их рациональную откач­ку из выработок. Однако нередко именно подземные воды являются тяжелым препятствием при проведении горных работ. Выяснить наличие водоносных горизонтов, которые могут дать приток воды в горные выработки, определить возможные размеры этого притока и режим поступления вод в шахты представляет весьма важную задачу гидро­геолога, специализирующегося в так называемой «шахтной», или «рудничной», гидрогеологии.

Возможность поступления тех или иных количеств подземной воды в горные выработки зависит прежде всего
от гидрогеологической обстановки, в которой идет строитель­ство горных выработок. Если горные выработки распола­гаются в пределах «артезианских бассейнов», в которых толщи осадочных водоносных пород достигают иногда огромной величины, то здесь приток воды в шахты может достигать значительных размеров. Располагая данными о геологической структуре бассейна и о геологических характеристиках водоносных толщ, можно с большей или меньшей уверенностью рассчитать и возможные притоки воды в выработки, а также характер самого притока: более равномерным будет он в песчанных водоносных толщах и весьма неравномерным в трещиноватых.

Особенно сложны условия обводнения горных вырабо­ток в погребенных глинисто-песчаных толщах континен­тального происхождения, как, например, в угленосной свите подмосковного карбона. Прерывистые пласты и лин­зы угля, песка и глины и своеобразное их залегание (водо­носные пески оказываются то над углем, то под углем) создают весьма трудные условия для прогноза обводнения выработки. То напорная вода прорывается в подошве пласта, то проникает в выработку из кровли. Количество воды при этом бывает иногда весьма значительным, появле­ние внезапным, и это ведет подчас к катастрофическим последствиям и к ликвидации выработки угля.

Даже сильный равномерный приток затрудняет про­ходку выработок и добычу полезного ископаемого. Еще сложнее эти условия в соляных месторождениях, где само полезное ископаемое подвержено растворяющему воздей­ствию проникающей в выработку воды. Кроме того, приток- воды и необходимость борьбы с ним, необходимость вести откачку воды иногда весьма сложными и мощными насос­ными установками ведет к снижению скорости проходки выработок.

Необходимо различать приток воды и борьбу с ней в открытой горной выработке и в закрытой, подземной. В первом случае большой эффект дает так называемое предварительное осушение. Оно заключается в том, что гидрогеолог, изучив характер подземных вод в районе разработки, установив их обильность, направление и ско­рость движения подземного потока, намечает систему буро­вых скважин. Откачкой воды из них насосами, заранее рассчитанной мощности вокруг предположенного к эксплу­атации месторождения, достигается понижение уровня грунтовых вод, обеспечивается меньшая обводненность котлована, откосы становятся более устойчивыми, уменьша­ется их оползание. Вместе с тем и полезное ископаемое добывается с меньшим количеством загрязняющей его пустой породы. Всюду, где в кровле (висящем боку) полез­ного ископаемого имеются рыхлые неустойчивые водонос­ные горные породы, успех такого мероприятия обеспечен при условии, что гидрогеологическое обоснование пониже­ния зеркала грунтовой воды сделано с достаточными дан­ными и со знанием дела.

Разработка полезных ископаемых, залегающих глубо­ко в недрах, не представляет трудностей, если приходится иметь дело с сухими, хотя бы и рыхлыми (пески, глины) горными породами. Здесь требуется только применение надежного крепления шахт, штолен, квершлагов и т. д. Но если породы обводнены, то могут возникать тяжелые гидрогеологические условия проходки и разработки полез­ного ископаемого. И здесь гидрогеологи должны дать четкую картину геологических и гидрогеологических усло­вий для разработки месторождения, а горный инженер на основе этого применит уже тот или иной способ ведения горных работ. В этом случае применяются специальные методы горных работ; выбор метода зависит от устой­чивости проходимых горных пород, от мощности водоносной породы, от водообилия водоносного горизонта, от гидроста­тического напора, под которым находится вода в породе.

Д. И. Щеголев приводит следующие способы проходки, применяемые при разработке месторождений в тяжелых гидрогеологических условиях.

1. Проходка с помощью забивной крепи. Она может дать эффект при мощности неустойчивой обводненной породы не свыше 4 м и при гидростатическом напоре в пласте не свыше 15 м.
2. Опускная крепь; может быть применена при мощ­ности неустойчивой водонасыщенной породы не свы­ше 6—8 м и гидростатическом напоре не свыше 16—18 м.
3. Цементация (скальных) плотных горных пород. Она широко применяется при проходке сильно водоносных трещиноватых пород, рекомендуется в тех случаях, когда мощность сильно обводненных пластов не превышает 10— 15% от мощности проходимых пород.
4. Глинизация. С успехом может быть применена для дополнительной изоляции пройденной и закрепленной части ствола, когда через крепь наблюдается значительное поступ­ление воды. Необходимо, однако, учитывать, что в послед­нем случае нельзя нагнетать глину под большим давлением (свыше 6—7 атм) во избежание деформации крепи ствола.
5. Битуминизация. По существу она не отличается от цементации и глинизации. Различие этих методов заклю­чается в том, что битум, нагнетаемый в скважины, предвари­тельно нагревается до 200—220° С.
6. Проходка шахт под избыточным давлением воздуха (кессонный способ). Метод широко применяется при рабо­тах по устройству котлованов под опоры мостов, а также при проходке вертикальных и горизонтальных горных выработок в тех случаях, когда проходимые породы не­устойчивы, сильно обводнены и вода в них находится под давлением не выше 2—2,5 атм.
7. Проходка с предварительным химическим закрепле­нием рыхлых пород. Теоретически разработана довольно хорошо, но широкого практического применения не нашла вследствие высокой стоимости работ по химическому закреплению пород.
8. Проходка в тяжелых гидрогеологических условиях способом замораживания. В последние годы она нашла широкое применение в Соликамске на калийном место­рождении, на Курской магнитной аномалии, в Кузбассе при пересечении стволами шахт галечников, слагавших тер­расы р. Томь, в Селижаровке и в других месторождениях.
9. Предложены экономически выгодные, но не внедрен­ные в практику способы прохождения стволов буровыми скважинами крупного диаметра.

Все перечисленные выше способы проходки горных выработок преследуют цель изолировать ее от притока в нее воды, однако эта цель не всегда может быть достигну­та описанными приемами. Если водоносные горизонты залегают непосредственно в висячем или лежачем боку полезного ископаемого и притом обладают значительным гидростатическим напором, то прорыв напорной воды в выработки не исключается. Тогда и здесь приходится организовывать работы по понижению уровня ненапорных вод или по уменьшению гидростатического давления напор­ных водоносных горизонтов. Это достигают путем откач­ки подземной воды из системы рационально расположен­ных буровых скважин (проходка ствола способом водо- понижения), что входит в задачу гидрогеологической служ­бы данного месторождения. Очевидно, что задача может быть разрешена только при условии детального знания геологического строения и гидрогеологических условий месторождения.

Следует заметить, что климатические условия района месторождения имеют большое значение в его обводнен­ности. Коэффициент водообильности, т. е. отношение коли­чества выдаваемой из шахты воды к количеству выдаваемо­го полезного ископаемого за единицу времени, поэтому будет разным в месторождениях, расположенных в разных климатических условиях. Месторождения примерно одного и того же типа и одного и того же гидрогеологического строения будут по-разному обводнены в условиях сухого климата (например, в Средней Азии) и в условиях влажно­го климата (например, в Подмосковье). Так, коэффициент водообильности угольных месторождений Казахстана около 0,4, а Подмосковья превышает 6,0. В Кизеловском уголь­ном месторождении (Урал), которое связано с карстующи- ми горными породами, коэффициент водообильности, колеб­лется от 1,4 до 25. Ясно, что перед гидрогеологом стоит ответственная задача детально разобраться в геологиче­ской структуре месторождения, в его гидрогеологических условиях и таким образом дать горному инженеру, проек­тирующему борьбу с обводнением месторождения, достаточ­но полный и достоверный материал, на основе которого можно было бы избрать нужную методику работ.

В лучшем положении находится гидрогеолог, обслужи­вающий месторождения, приуроченные к массивнокристал­лическим или к плотно сцементированным горным поро­дам. К этой группе месторождений относятся главным образом так называемые жильные месторождения, напри­мер, месторождения редких и цветных металлов, многие месторождения железных руд и строительных материалов на территории кристаллических массивов и тому подобные. Водообильность их небольшая. Здесь существенны: обна­женность месторождения, изрезанность его гидрографиче­ской сетью, высота над базисом местной эрозии и, наконец, климатические условия.

В связи со сказанным нередко выделяют группы место­рождений по их водообильности, причем в наименее водообильную группу относят именно последние место­рождения. Во вторую группу относят месторождения, связанные с осадочными толщами платформенного характе­ра, а в третью — месторождения в закарстованных обла­стях.

Однако нужно отметить, что и в первой группе место­рождений могут иметь место случаи большого водообилия, если эти месторождения прорезаны тектоническими тре­щинами, нередко богатыми восходящими потоками. Это обстоятельство гидрогеолог должен всегда иметь в виду при гидрогеологических исследованиях подобных геологи­ческих структур.

По химическому составу воды месторождений полезных ископаемых могут быть весьма различными. Можно встре­тить рассолы в соленых месторождениях, сульфатные и кислые воды в угольных месторождениях, богатых пири­том, воды, содержащие в растворе те или иные металлы, например, медь, никель и пр., и, наконец, пресные воды.

Нередко перед исследователем открывается интересная картина постепенного изменения исходного состава под­земной воды месторождения по мере разработки последнего. Воды, вначале пресные, приобретают высокую степень концентрации раствора и носят явный отпечаток минераль­ных масс месторождений. Особенно резко сказывается это на месторождениях сульфидного типа. Появление в воде серной кислоты резко увеличивает ее растворяющую способность и ведет к дальнейшему усложнению минерали­зации. Другими словами, химический состав шахтных вод зависит от ряда факторов: от минералогического соста­ва вмещающих полезное ископаемое горных пород, от минерального состава самого полезного ископаемого, от тектонических условий, в которых находится данный район, и, наконец, от общих физико-географических его условий, в частности, от метеорологических условий и от глубины эрозионного вреза.

Гидрогеологу приходится учитывать всю сложную обстановку, в которой формируется минеральный состав шахтных вод, так как последние выступают нередко сами как полезное ископаемое. В одних случаях наблюдается недостаток в питьевых водах и приходится подумать о возможности использования шахтных вод (иногда это с успехом и делается), в других шахтная вода, непригодная или ненужная для водоснабжения, может быть использова­на для орошения или для технических целей. Иногда шахтная вода содержит в растворе минералы месторожде­ния (это особенно относится к соляным месторождениям, но имеет место и в рудных месторождениях), и они могут с пользой извлекаться из раствора. Наконец, известны случаи использования шахтных вод с лечебными целями, как это имеет место на некоторых рудниках Южного Урала и в Донбассе. Таким образом, гидрогеолог никоим образом не должен упускать из вида необходимость изучения химиз­ма шахтных вод.

Приведенные выше случаи применения гидрогеологиче­ских знаний к решению вопросов практики, конечно, далеко не исчерпывают последних. Примеры, на которых было остановлено внимание, являются лишь более или менее типичными, да и самое разрешение задач, которые ставит практика перед гидрогеологией, конечно, намечено лишь в общей схеме.

Каждый отдельный случай того или иного строительства, будь оно связано с требованиями увеличения полив­ных площадей, с возведением гидротехнических сооруже­ний или с другими возможными задачами, обладает прису­щими ему индивидуальными отличиями, коренящимися в естественно исторической природе имеющихся там усло­вий и обстоятельств. Типовое решение гидрогеологических задач возможно как наметка, как первое приближение, как общая схема. Применение этих схем на конкретных объектах при реальном строительстве требует их индиви­дуальной проработки с учетом особенностей объекта и обста­новки строительства.