Умови обводнення родовищ, пов’язаних із породами що карстуються. Показники закарстованості та боротьба з карстом
Гідрогеологічна класифікація родовищ корисних копалин за Трояновським С.В.
С.В. Троянський усі родовища корисних копалин поділяє на дві великі групи (1947 р.): родовища, розташовані за межами зони багаторічної мерзлоти і родовища, розташовані у зоні багаторічної мерзлоти. Далі класифікацією враховується наявність чи відсутність поблизу родовищ поверхневих водотоків чи водойм, що має дуже істотне значення для їхньої обводненості та визначення умов експлуатації. За цієюознакоюкожна з групродовищ у своючергуподіляється на двіпідгрупи. Класифікацієювраховуєтьсятакожлітологічний склад порід,щоскладаютьпокрівлю і підошвупокладукорисноїкопалини, і тектонічнабудова районуродовища. За літологічноюознакоюродовищакожноїпідгрупиподіляються на чотири типии: а) в пористих пухких уламкових/п - наявність пливунів; б) родовища в твердих скельних тріщинуватих породах; в) карбонатних закарстованих/ п; г) в легкорозчинних/п, аза тектонічною – на два класи: а) в не дислокованих областях; б) в дислокованих областях.С.В. Троянський усі родовища корисних копалин поділяє на
| групи | підгрупи | типи | класи |
| За межами зони вічної мерзлоти | 1.Родовища віддалені від водотоків і водойм. 2.Родовища поблизу водотоків і водойм | 1.В пухких пористих уламкових породах. 2. В скельних, тріщинуватих. 3.Породи, що вилуговуються, карстуються. 4. Породи, що розчиняються. | 1.В не дислокованих областях. 2. В дислокованих областях. |
| В межах зони вічної мерзлоти |
Типи родовищ за класифікацією Климентова.
У 1951 р. П.П. Климентов дав гідрогеологічну класифікацію з 8 типів родовищ:
І тип - карстові родовища;ІІ тип - родовища в рихлих незцементованих піщано-глинистих породах;ІІІ тип - родовища в тріщинуватих скельних гiрських породах, перекритих пухкими відкладами;IV тип - у тріщинуватих породах;V тип - родовища на міжрічкових масивах і в гірських районах з сильно пересіченим рельєфом;VІ тип - солеві родовища;VІІ тип - родовища у багаторічній мерзлоті;VІІІ тип - нафтові і газові родовища.
Гідрогеологічні умови на родовищах 3-го і 4-го типу за класифікацією П.П. Климентова.
1951 р. П.П. Климентов дав гідрогеологічну класифікацію з 8 типів родовищ ІІІ тип.Родовища, у геологічному розрізі яких переважають тріщинуваті й у меншій мірі беруть участь піщані породи. Водонасиченість родовищ цього типу залежить від ступенятріщинуватості і тектонічної роздробленості скельних порід, а також від фізико-географічних умов. Для родовищ даного типу характерна перевага атмосферних опадів над величиною випаровування. При наявності гідравлічного зв'язку з поверхневими водами водоприток у шахти таких родовищ може досягати 400—600 і навіть більше кубометрів у годину. Водоприток наростає зі збільшенням об’єму і глибини гірничих виробок. Коефіцієнт обводнення на окремих родовищах може досягати 10-15.
IV тип. Родовища, складені скельними тріщинуватими породами. Водонасиченістьданого типу родовищ обумовлюється ступенем тріщинуватості і тектонічного порушення порід, а також фізико-географічними умовами. Для родовищ цього типу характерна відносно слабка тріщинуватість порід, різка континентальність клімату, мала кількість атмосферних опадів і відсутність крупних рік і водойм. Водопритоки в окремі рудники цих родовищ звичайно не перевищують 50-150мз/годину. Коефіцієнт обводненості коливається від 1 до 3 і рідко 6. До четвертого типу обводненості відносяться деякі жильні родовища кольорових ірідких металів, деякі кам'яновугільні родовища (Донбас), більшість залізорудних родовищ,деякі родовища будівельних матеріалів і ін. IV тип - у тріщинуватих породах.
Умови обводнення родовищ, пов’язаних із породами що карстуються. Показники закарстованості та боротьба з карстом.
Родовища, у геологічному розрізі яких широко розвинені карстові породи(карбонатні і сульфатні), що характерно для родовищ бокситів, сірки, горючих сланців, вугілля, будівельних матеріалів. Практика показує, що родовища, пов’язані з карстовими породами, відрізняються найбільш високою водонасиченістю, яка в свою чергу залежить як від палеогеографічних, так і від сучасних фізико-географічних умов. Для родовищ цього типу найбільшу небезпеку представляє гідравлічний зв'язок підземних вод, що циркулюють по тріщинах і порожнинах карстових порід, з поверхневими водотоками і водоймами, що можуть забезпечувати великий і постійний в часі водоприток. На цих родовищах приток води у виробки нерідко досягає 8000 -10000 м3/годину, як наприклад на Миколаївському родовищі (Львівська область), а коефіцієнт обводненості досягає 250-300. Модуль підземного стоку може досягати 50% від поверхневого стоку. Особливо різке збільшення водопритоків пов’язане із зворотнім проникненням у виробки через карстові порожнини, тріщини і промоїни в руслі річкових долин відібраних і скинутих у ці ж самі річки карстово-шахтних вод. Скидання останніх у річку на протязі кількох роківпризводить до розмиву тріщин та ще більших втрат річкових вод і їх надходження до виробок.
Виникати і розвиватися карст може тільки при поєднанні певних природних умов. Таке поєднання визначається одночасною наявністю: 1) породи, яка відносно легко розчиняється у воді, 2) проникності цієї породи, 3) води, яка рухається у породі і 4) розчинною здатністю води. Розглянемо детальніше кожний із факторів, що обумовлюють утворення карсту.
За ступенем розчинності можна виділити наступні основні групи порід: а) карбонати (вапняки, доломіти); б) гіпси та ангідрити; в) галоліти (хлористі і сірнокислі солі натрію, калію і магнію). Розчинність найголовніших сполук залежить від будови кристалічної гратки, розмірів кристалів, наявності домішок. Дрібніші зерна розчиняються швидше у порівнянні з великими. Водні розчини у породі можуть бути недонасиченими по відношенню до дрібних зерен, насиченими щодо зерен середніх розмірів і перенасиченими стосовно великих. В результаті в один і той же час дрібні зерна можуть розчинятися, а великі рости. Це є причиною значної нерівномірності й примхливості розподілу в карбонатних породах каверн і пор розчинення.
Утворення карсту залежить від водопроникності гірських порід. Проникаючи в гірські породи по порах і тріщинах, рухаючись по них, інколи вкрай повільно, вода може розчиняти породи і тим самим збільшувати їх пористість, що в свою чергу призводить до посилення водообміну. Однак рух води по пустотах і вилуговування порід не завжди веде до збільшення розміру пустот. Наприклад, при вилуговуванні вапняків, що містять глинисті частки, останні можуть закупорювати тріщини і карстові порожнини і тим самим сприяти зменшенню фільтрації води і затуханню карстового процесу.
Чим більшою є тріщинуватість гірських порід, тим кращі умови створюються для виникнення карстових явищ. Зв‘язок карстових проявів із тріщинуватістю порід підтверджується витягнутістю “ланцюжків” карстових лійок вздовж переважних систем тріщинуватості, приуроченістю карстових печер і порожнин до великих тріщин. Одна із основних умов розвитку карсту – водообмін. Умови руху підземних вод та інтенсивність водообміну змінюються по вертикалі. В областях з потужними розчинними породами можна виділити чотири вертикальні зони, відмінні одна від одної за умовами руху підземних вод і, відповідно, за умовами розвитку карсту:
І – зона аерації, де має місце переважно вертикальна фільтрація, що призводить до формування вертикальних карстових каналів;
ІІ – зона сезонного коливання рівні підземних вод; тут у періоди підйому рівня вода фільтрується в горизонтальному, а в період його спадання – у вертикальному напрямку (розвиваються вертикальні і горизонтальні порожнини в розчинній породі);
ІІІ – зона повного насичення, яка перебуває у сфері дренувального впливу гідрографічної сітки (карст розвивається у дні річкових долин і в берегах);
ІV – зона глибинної циркуляції, де рух води відбувається поза безпосереднім дренуючим впливом гідрографічної сітки і обумовлений тектонічною структурою та окремими осередками розвантаження. Вилуговування порід у цій зоні відбувається повільно.
Розчинна здатність підземних вод зменшується з глибиною, тому що з глибиною збільшується насичення води різними сполуками, які інколи перешкоджають розчиненню. З глибиною затухають біохімічні процеси, в результаті дії яких утворюється вуглекислота, що сприяє розчиненню.
За віком карст можна розділити на: а) сучасний, або активний, що розвивається вище від сучасного рівня корозії; б) древній, або пасивний, розвинений нижче сучасного рівня корозії. Древній карст може бути похованим, коли поверхня закарстованих порід перекрита (похована) більш пізніми відкладами. Карст перестає розвиватися після припинення надходження води в карстові порожнини (наприклад, внаслідок заповнення карстових порожнин печерною глиною).
На утворення карсту впливають також і геоморфологічні умови. Наприклад, поблизу крутих ерозійних і абразійних схилів створюються сприятливі умови для водообміну, тому що на цих ділянках тектонічні тріщини бувають розширеними за рахунок вивітрювання, утворення зсувів, осідання порід тощо. Дуже впливає на розвиток карсту клімат, бо від нього залежать кількість, характер і розподіл сезонних опадів, характер і інтенсивність процесів вивітрювання, температурний режим у верхніх частинах земної кори.
Найважливішими особливостями областей розповсюдження закарстованих порід є:
· інтенсивне поглинання поверхневих вод;
· підвищена водозбагаченістьзакарстованих порід;
· нерівномірна водопроникність;
· наявність локальних, стійких у часі поздовжніх прирічних депресій рівня підземних вод.
Головними інженерно-геологічними умовами карстових районів є такі:
1) осушення ряду карстових областей (проблеми для сільського господарства);
2) інтенсивне поповнення підземних вод за рахунок поверхневого стоку;
3) природний глибокий дренаж ряду родовищ корисних копалин;
4) можливість підвищених витоків води з каналів і водосховищ, як через їх борти і дно, так і в обхід гребель;
5) посилене живлення річок за рахунок тріщинно-карстових вод;
6) збагачене обводнення тріщинно-карстовими водами будівельних котлованів, тунелів, шахт.
Для боротьби з карстом можна застосовувати наступні заходи.
1. Припинення доступу поверхневих і підземних вод до порід, які карстуються, шляхом регулювання поверхневого стоку і влаштування дренажів.
2. Штучне обрушення покрівлі карстових пустот і заповнення їх глинистими породами. До цього вдаються при будівництві залізниць і шосейних доріг, трубопроводів і т.д.
3. Цементація порід основ споруд; при цьому через бурові свердловини у тріщини і карстові порожнини нагнітається цемент. Так створюється підземний водонепроникний бар‘єр і одночасно породи зміцнюються.
4. Бітумізація порід основи з метою створення підземного водонепроникного бар‘єру. Затоплення кар`єрів.
5. Осушення ділянок за допомогою відкачувань води насосами, зануреними у пробурені навкруги ділянок свердловини; застосовується при проходці експлуатаційних і дослідних шахт, шурфів і т.п.
Інколи, через ускладнення і дорожнечу боротьби з карстовими явищами, доводиться переносити споруди з закарстованих ділянок на ділянки з більш сприятливими інженерно-геологічними умовами.
6. Умови водопритоку та боротьба з ним на соляних родовищах.
VI тип. Соляні родовища. Легко розчинні галоїдні родовища доцільно виділити в окремий тип не тільки внаслідок гарної розчинності соляних покладів у воді, але і тому, що соляні поклади мають високу пластичність, завдяки якій виникаючі в соляний товщі тріщини дуже швидко стуляються. Це — одна з головних причин, що обумовлюють відсутність води в ряді соляних родовищ. Іншою причиною служить та обставина, що на соляних родовищах корисна копалина часта покривається потужними глинистими товщами, які захищають її від розмиву. Унаслідок цього соляні рудники звичайно води не містять. У випадку ж наявності в соляних родовищах більш або менш значних кількостей води, циркуляція її в товщі кам'яної солі, завдяки гарній розчинності останньої, приводить до швидкого росту водопровідних шляхів (тріщин, каналів), що часто спричиняє загибель рудника. Відомі досить численні випадки загибелі соляних рудників від притоків води.
Соляні родовища виділяють у зв’язку з тим, що соляні поклади не лише мають соляні властивості розчинення у воді, а й завдяки тому, що соляні поклади достатньо пластичні і тріщинуваті, які в них виникають досить швидко. Ці родовища ввійшли до нашого часу завдяки ізольованості цим покладам, що вберегло їх від розмивання. Здебільшого соляні поклади за природних умов не містять води. Вода зявляється лише в процесі його розробки, або у зв’язку з порушенням рівноваги між покладами солі та наявністю у природних умовах соляних розчинів. На родовищах солей зустрічається надсольові, підсольові та внутрішні розсоли, іноді виділяють бічні. Надсольові – інфільтраційний або змішаний генезис. Бічні – змішаний, а підсольові та внутрішньосольові – седиментаційний генезис.
Для боротьби з цими явищами використовують закладання виробничого простору, неконденційними уламками солі для насичення підземних вод до стану насичення розслів, залишають непорушені щілини солі між окремим штреками соляними у вигляді стрічок (10-12 см), а також використовують ізоляцію небезпечних ділянок.
7.Пливунні явища для безнапірних та напірних пластів. Породи, що мають пливунні властивості. Заходи боротьби з пливунами.
Пливунні явища характерні для родовищ ІІ типу(родовища, що залягають в незцементованих піщано-глинистих породах). Обсяги надходження пливунної маси у виробку при прориві покрівлі залежать від напірності водоносної товщі. Швидкість виникнення дрібних частинок породи пливунної маси залежить від величини гідростатичного напору, під яким вода знаходиться у водоносному шарі, а також віж потужності ті літологічного складу водовмісних порід. Якщо водоносний шар над покрівлею безнапірний, то об’єм пливуна можна визначити V=1/3 h3/f + h3/8., f = tgα, f – тертя. α – кут при вершині конуса, менше кута природного відкосу піску під водою.
Коли пласт напірний і має значну потужність, то об’єми надходження пливуна дуже значні і не обмежені в часі.
Крім глинистих дрібнозернистих пісків, пливунні властивості мають також:
1)водо насичені кварцово-серицитові сланці, які можуть намивати у вигляді рідкої маси, а іноді стрімко прориваються у виробки великими масами.
2) зруйновані сланці вугленосної товщі які перетворюються у легкоплинну глинисту масу, яка при розкритті заповнює глинисті виробки
3)Глини певного мінералогічного складу, швидкість просування фронту яких складає 0.5км/год. Їх надходження до виробок сприяє руйнуванню бетонних та залізних кріплень виробок. Випирання глини супроводжується надходженням води, яка виносить до 2% завислих частинок.
Засоби боротьби з пливунами:
1)Капітальне кріплення слабких ділянок виробок; 2)дренажні засоби осушення пластів з пливунами: 3) застосування кесонних споруд а також установок забійного водо пониження, які складаються з комплексу голко-фільтрів, водозбірного колодязя, аванкамери та насосної установки. Ця установка найбільш ефективно працює, якщо система знаходиться в вакуумі.
8.Вивчення ступеню і характеру тріщинуватості порід. Генезис тріщин. Кількісні показники тріщинуватості.
Серед основних чинників, що визначають структуру тріщинуватості: розкриття тріщин та об’єм пустот, інтенсивність тріщинуватості пустот та елементи направлення пустот в просторі. Поширені 3 типи тріщинуватості: 1) Тектонічна тріщинуватість – поширюється на глибину більше 500 метрів, розбиваючи корінні/п на великі блоки. Тектонічні порушення проходять по слабких породах; 2) Тріщини вивітрювання – поширюються на глибину до 200 м, з глибиною зменшуються; 3) Штучна тріщинуватість – викликана експлуатацією родовищ з обваленням покрівлі. В зв’язку з цим з поверхні відбувається просадка землі.
При розкритті тектонічних тріщин в свердловинах, закладених на вищих гіпсометричних відмітках, відбувається різка втрата промивальної рідини, а в свердловинах, які проходять на знижених ділянках відбувається само вилив. Тектонічна тріщинуватість часто поєднується з тріщинуватістю вивітрювання в верхній зоні, що суттєво збільшує водо притоки, якщо тріщини не закальматовані, в переоди дощів максимальні вод притоки до виробок сягають 30-50 м3∕год. Найбільш небезпечними є тріщини які утворюються в результаті гірничної розробки і досягають поверхні землі. За наявності зв’язку таких тріщин з поверхневими водами виникають величезні водо притоки у виробки.
Методи визначення тріщинуватості поділяються на прямі і сторонні
Прямі: кількісна оцінка тріщинуватості шляхом безпосереднього її вивчення на відслоненнях порід як на денній поверхні так і в свердловинах, основними кількісними показниками тріщинуватості є частота тріщин, що визначається за чилом тріщин які приходяться на 1м3; блочність – характер розчленування масиву порід тріщинами на окремі блоки; Коефіцієнт тріщинної пустотності=відношення площі порожнин тріщин до площі породи, виражена в відсотках. На практиці використовують ступінь тріщинуватості порід, яка визначається відношенням суми довжини слідів тріщин до величини площі ділянки на яку вони виходять. В результаті цього вивчення виділяють однорідні структурно-геологічні відношення ділянки, системи тріщин, їх генезис та розподіл, елементи залягання, відстань між тріщинами, їх довжину, характер заповнення, жорсткість поверхні стінок тріщини та ін., виконується карта на основі цієї інформації.