Прогнозная оценка изменений гидрогеологических условий

Горные работы и осушение месторождений вызывают существенные изменения гидрогеологических условий района. Происходят снижение уровней подземных вод и образование депрессионных воронок, радиусы которых могут достигать нескольких десятков километров; изменяются условия питания и разгрузки водоносных горизонтов, степень взаимосвязи подземных и поверхностных вод; происходят активизация взаимосвязи водоносных горизонтов между собой, исчезновение родников, сокращение расходов малых рек, осушение болот, увеличение мощности зоны аэрации, осушение почвогрунтов, оседание земной поверхности и др. Может изменяться химический состав поверхностных и подземных вод. Указанные изменения гидрогеологических условий оказывают отрицательное влияние на окружающую среду. В этой связи уже на стадии разведки месторождений необходимо выполнить их прогнозную оценку и наметить мероприятия по охране окружающей среды. Размеры и характер депресии подземных вод зависят от участия в формировании водопритоков в горные выработки, привлекаемых ресурсов за счет смежных с осушаемым водоносных горизонтов и поверхностных вод. Увеличение доли привлекаемых ресурсов в величине водоприто­ков ограничивает развитие депрессионной воронки в осушаемом гори­зонте.

Для прогнозной оценки размеров депрессионных воронок применяют­ся аналитические методы, метод моделирования и метод аналогии, бази­рующийся на данных опыта эксплуатации месторождений в исследуемом районе.

При оценке размеров депрессии аналитическим методом используется схематизация гидрогеологических условий, принятая и обоснован­ная при расчетах прогнозных водопритоков в горные выработки по известным в гидрогеологической практике уравнениям [9, 10 ]

Прогнозные расчеты взаимодействующих систем скважин и дренажных устройств, расположенных в неограниченном плане водоносных пластов, могут быть выполнены гидрогеологическими расчетами, а для сложных условий – методом моделирования.

Общее уравнение для определения понижения уровня напорных подземных вод в любой точке неограниченного в плане водоносного пласта на любой момент времени представляется в следующем виде:

k

S=Q_cум/4πkm ln Σ * β₁R_ωt

i=1

где β=Q_i/Q_сум; Q_i=Q₁,Q₂,…, Q_к – расходы каждой системы скважин; - суммарный расход всех систем; = , , …, - безразмерное гидравлическое сопротивление, определяемое по соответствующим формулам и графикам.[ ].

Как отмечает Ф. М. Бочевер, аналитические расчеты взаимодействующих систем скважин можно существенно упростить, если при этом учесть результаты анализа структуры фильтрационного потока на некотором удалении от каждой системы. Анализ показал, что на расстоянии, равном максимальному размеру водозаборной системы, влияние ее всегда сказывается так же, как при работе одиночной скважины. Это очень важное теоретическое положение дает основание производить аналитические расчеты взаимодействующих систем скважин или осушительных горных выработок по приближенным зависимостям, а также по методу сложения течений (суперпозиции).

Метод суперпозиции заключается в том, что «воздействие нескольких взаимодействующих скважин, работающих в неограниченных условиях фильтрационного поля, может быть определено суммированием реакций от каждой скважины в отдельности» (Бочевер Ф.М., 1961). Для расчета понижений при работе нескольких взаимодействующих скважин в ограниченных и полуограниченных условиях фильтрационного поля применяют метод зеркальных отображений, приводя такие поля к неограниченным условиям и решая задачу, используя метод суперпозиции.

Так, если скважина расположена в водосодержащем пласте, ограниченном границей с постоянным напором (Н – const – граница I рода), реальную скважину отражают от границы, получая фиктивный неограниченный пласт и затем методом суперпозиции решают задачу для двух симметрично расположенных скважин с дебитами, имеющими противоположные знаки. Если граница непроницаемая (Q – const- граница II рода), то у реальной и фиктивной скважины дебиты имеют одинаковый знак.

Методами суперпозиции и зеркальных отображений решают фильтрационные задачи в любых ограниченных пластах, при этом каждый раз приводя реальную гидродинамическую схему к фиктивным неограниченным условиям.

При этом, суммарное понижение уровня в напорном водоносном горизонте от нескольких взаимодействующих скважин в какой-либо расчетной точке (r) неограниченного пласта может быть оценено по преобразованной формуле:

i=n

S=Σ Q_i/4πkm * ln * 2,25at/ r_i², где

i=1

r_i² – расстояние от скважины i до расчетной точки r_i

Q – дебит скважины, м³/сут,

n – число скважин,

km – водопроводимость пласта, м²/сут

a – коэффициент пьезопроводимости, м²/сут

t – расчетный момент времени, сут.

В случае распространения депрессии на участки, удаленные от осушаемого место­рождения, дренажные системы могут рассматриваться как, «большие колодцы». В этом случае расчеты понижения уровня производят по тем же формулам. Однако радиус («приведенный») радиального потока принимается эквивалентным сумме отдельных радиальных потоков. Так, если скважины расположены в виде линейного ряда, то за приведенный радиус «большого колодца» может быть принят – 0,2 l (где l – длина линейного ряда), при площадном расположении скважин за радиус «большого колодца» принимают 0,16 П ( где П- периметр площади расположения скважин).

На большом расстоянии от дренажных выработок и по истечении значительного времени с начала дренажа основные расчетные формулы применимы вне зависимости от граничных условий (понижение или расход) на горных выработках. [ ]

При оценке возможных размеров депрессии следует задаваться неко­торой величиной понижения уровня по ее контуру и рассчитывать расстоя­ние от центра дренажа, на котором это понижение будет наблюдаться в расчетное время.

Определение радиуса влияния (r_вл) для условий неограниченного в плане пласта при известном дебите и принимаемом понижении уровня может быть выполнено по зависимости, выведенной Ф.М. Бочевером (1961), r_вл=φ , где φ=φ_s(kmS/Q). Для продолжительной откачки φ_s =1,5е^-2πkmS/Q

Для оценки влияния осушения месторождения на действующие и про­ектируемые водозаборы следует рассчитывать срезку уровней на водоза­боре, возникающую под действием осушительных систем, и общее понижение уровня на водозаборе с учетом величины срезки сравнивать с допустимым понижением, принятым при оценке эксплуатационных запасов подземных вод.

В качестве примера Плотников Н.И., (1983г) рассматривает задачу - условия взаимодействия системы осушительных устройств и при подземных или открытых горных разработках на месторождении.

Для неограниченного в плане водосодержащего пласта в напорных условиях дренирующее влияние осушительной системы на действующее водозаборное сооружение будет выражаться следующей зависимостью:

S_{общ.скв.в.}= S_скв.в+ΔS_в+ΔS_о,

где S_скв.в – понижение в самой скважине ( в центре водозаборной системы);

ΔS_в- дополнительное понижение уровня в исследуемой скважине от взаимодействия в системе водозаборного сооружения («большой колодец» - I)

ΔS_о – дополнительное понижение уровня подземных вод в исследуемой скважине от взаимодействия с системой осушения («большой колодец» - II)

S_скв.в = Q_скв.в/2πkm *ln*r_n/r_o , где S_скв.в – понижение в самой скважине ( в центре водозаборной системы)

Q_скв.в - дебит скважины в центре водозабора;

r_n – приведенный радиус условной области влияния данной скважины, м; для линейного ряда скважин r_n = b/2π, b – расстояние между скважинами

km – среднее значение коэффициента водопроводимости пласта;

r_o - радиус скважины, для которой определяется общее понижение уровня.

Дополнительное понижение уровня в исследуемой скважине от взаимодействия в системе водозаборного сооружения («большой колодец I») определяется следующим уравнением:

ΔS_в = ΣQ_в/4πkm * ln * 2,25at/R_I²,

где - R_I - радиус «большого колодца» - системы водозабора

ΣQ_в - суммарный дебит системы водозаборных скважин.

Дополнительное понижение уровня в исследуемой скважине от взаимодействия с системой осушения («большой колодец II») определяется следующим уравнением:

ΔS_о = ΣQ_о/4πkm * ln * 2,25at/R_I-II

где R_I-II – расстояние от систем водозаборных скважин до системы осушения. Остальные обозначения те же.

Таким образом, дренирующее влияние осушительной системы на действующее водозаборное сооружение принимает следующий вид:

S_скв = Q_скв.в/2πkm *ln*r_n/r_o +/4πkm * ln * 2,25at/R_I²+ ΣQ_о/4πkm * ln * 2,25at/R_I-II

Приведенное уравнение позволяет определить:

1. степень воздействия осушительной системы на режим работы действующего водозабора;

2. время полного дренирования действующего водозабора под влиянием системы осушения.

В наиболее сложной гидрогеологической обстановке при большом разнообразии граничных условий водоносного горизонта в плане фильтрационной неоднородности водовлияющих пород в разрезе для прогнозной оценки процессов взаимодействия системы осушительных устройств при эксплуатации месторождений полезных ископаемых и системы водозаборных сооружений, целесообразно выполнить методом математического моделирования.

Оценку возможности одновременной эксплуатации водозабора и дре­нажного сооружения на месторождении без подсасывания водозабором загрязненных вод, развитых на площади ведения горных работ, можно производить по критериям, разработанным в институте ВСЕГИНГЕО и основанным на определении положения границы раздела потоков подземных вод, направленных к водозабору и дренажным сооружениям.

Эти критерии позволяют приближенно оценить условия возможного взаимодействия на горнорудных предприятиях действующих водозаборов и водопонизительных систем, предназначенных для осушения горных разработок. В случае взаимодействия двух систем может произойти загрязнение источников питьевого водоснабже­ния и истощение запасов продуктивного горизонта питьевого во­доснабжения.

Критерии для приближенной оценки взаимодействия основаны на следующих положениях: при отборе подземных вод на действующем водозаборе и осушительных установках в фильтрацион­ных потоках формируется граница раздела; если граница раздела двух потоков будет располагаться за пределами распространения депрессионной воронки осушительных устройств горных разрабо­ток, то загрязнение питьевых вод и их истощение можно полно­стью исключить. Исходя из этого были получены допустимые соотношения между производительностью водозаборного соору­жения и водопонизительных систем, при которых может быть исключено их взаимодействие.

Так, для квазистационарного потока в условиях сравнительно однородной среды и бесконечного в плане пласта влияние загряз­нения питьевых вод водозабора может быть исключено при сле­дующих условиях:

^< ;

^< ,

где Q_в — общая производительность водозабора, м³/сут; Q_p— суммарный водоприток в осушительные устройства рудника, м³/сут; b — расстояние между центрами водозабора и рудника, м; р_x- — максимальные размеры разработок по линии, соединяющей центры водозабора и рудника; р_у — максимальные размеры раз­работок в направлении, перпендикулярном к линии, соединяющей центры водозабора и рудника.

Для схемы полуограниченного пласта, контактирующего с по­родами различной проницаемости, охрана подземных вод на во­дозаборном участке от загрязнений рудничных вод может быть обеспечена при следующих условиях:

где — расстояние центров системы горных разработок и водозабора от границы между пластами; b — расстояние между центрами горных разработок и водозаборным сооружением; р_х, р_у — наибольшие радиусы системы горных разработок по осям х и у; α₁ — безразмерный параметр, характеризующийся отношением (k₁m₁-k₂m₂)/( k₁m₁+k₂m_2).

Таким образом, если гидрогеологические условия двух водоот­ливных систем (водозабора и осушительной батареи) отвечает приведенным типовым схемам, то, пользуясь условиями, выражен­ными уравнениями, можно в предварительном виде оценить воз­можное влияние дренажных систем горных разработок на пить­евой водозабор и, таким образом, принять меры по защите питьевых вод от возможного загрязнения и истощения.

Влияние дренажных сооружений на поверхностный и родниковый сток неоднозначно. В большинстве случаев при водоотборе подземных вод происходит уменьшение подземного стока в реки и озера, при этом поверхностный сток уменьшается. В некоторых случаях, когда эксплуати­руются глубокие водоносные горизонты, гидравлически не связанные поверхностными водами, может произойти увеличение поверхностного тока в связи со сбросом в реки сточных вод, что может повлечь за собой изменение химического состава речных вод. Для случая концентрированного отбора воды в полуограниченном пласте, когда границей потока является река в заданным на ней постоянным напором, ущерб речному стоку может быть рассчитан по формуле

Q_{у щ}/Q=erfc(d/2at)

где Q_{у щ}/Q — ущерб поверхностному стоку (изменение расхода реки) момент времени t после начала дренажа; d — расстояние от центра дренажа до реки; Q — производительность водоотбора; erfc(z) — специальная функция. Формула используется для условий однородных пластов при совершенной связи подземных и поверхностных вод.

Оценка возможного влияния сброса шахтных (рудничных) вод и вод, откачиваемых осушительными системами, на окружающую среду, первую очередь на загрязнение подземных и поверхностных вод, выполняется на основании данных о количестве, минерализации вод, содержании в них макро- и микрокомпонентов, взвесей.

Для прогнозной оценки развития депрессионной воронки и изменений гидрогеологических условий требуется изучение значительных площадей. При этом следует максимально использовать результаты работ, проведенных ранее или в период разведки месторождения. Кроме того, необходимо целенаправленно провести гидрогеологические работы на стадии предварительной разведки, когда изучается район, в частности, организовать наблюдения за режимом подземных вод в пределах территорий, прилегающих к месторождению, использовав для этого геологоразведочные, картировочные и гидрогеологические скважины. Достоверность прогнозных оценок может быть повышена при использовании опыта осушения месторождений в сходных гидрогеологических условиях и в случаях выполнения продол­жительных групповых откачек или опытно-производственного водопонижения.

Для оценки влияния осушения месторождения на действующие и проектируемые водозаборы требуется бурение створа гидрогеологичес­ких скважин между водозаборным сооружением и месторождением. Скважины опробуются опытными откачками, а в последующем оборуду­ются под режимные наблюдения. Для установления гидравлической связи водоносных гори­зонтов, которые используются для водоснабжения, необходимо изучить условия взаимосвязи этих горизонтов, определить мощность и фильтрационные свойства разделяющих пород. В этом случае важны кустовые откачки с оборудованием наблюдательных скважин в водоносных гори­зонтах и желательно в разделяющих пластах.

В целях прогнозной оценки влияния осушения месторождения на поверхностные воды необходимо иметь сведения об условиях взаимосвя­зи подземных и поверхностных вод, гидродинамических параметрах ко­ренных и аллювиальных отложений между рекой и месторождением, ре­жиме подземных и поверхностных вод. Они получаются по результатам кустовых откачек, режимных наблюдений в створе скважин, пробуренном между рекой и месторождением и совмещенном с гидрологическим ство­ром.

Для решения вопроса о целесообразном использовании и удалении дренажных вод необходимо иметь сведе­ния о химическом составе вод осушаемого горизонта и смежных с ним, а также вод поверхностных водотоков, служащих источником питания водоносных горизонтов и участвующих в обводнении месторождения или являющихся местом сброса дренажных вод. По аналогии или на основании прогнозной оценки следует также составить представления о химическом составе сбрасываемых вод, содержании в них взвесей, микрокомпонентов, токсичных веществ с учетом установленных ПДК.

По материалам разведочных работ необходимо разработать комплекс­ные мероприятия не только по обеспечению защиты горных выработок от подземных вод и созданию благоприятных условий ведения горных работ, но и по охране окружающей среды, рациональному использованию дренажных вод.

В связи с этим по материалам гидрогеологических исследований при разведке должны быть даны и обоснованы рекомендации по снижению отрицательного воздействия водоотлива и осушительных систем на подземные и поверхностные воды и в целом на окружающую среду; рацио­нальному использованию собственно шахтных (рудничных) и дренажных вод; постановке целенаправленных дополнительных исследований для обоснования природоохранных мероприятий.

В целях охраны водных ресурсов в районах горнодобывающих пред­приятий используются различные методы: рациональные способы разработки месторождения, например с закладкой выработан­ного пространства, что может предотвратить осушение верхних водонос­ных горизонтов и предупредить провалы земной поверхности; противофильтрационные завесы; создание гидрозавес (обратная закачка дренаж­ных вод), заключающееся в возрасте откачиваемых вод в дренируемые водоносные горизонты через поглощающие скважины, заложенные на некотором расстоянии от водопонизительных систем осушаемого место­рождения; перехват подземных вод хорошего качества дренажными системами на подступах к месторождению, не допуская их загрязнения в результате горных работ и используя для хозяйственно-питьевого водоснабжения.

Для защиты подземных и поверхностных вод от загрязнения шахтными (рудничными) водами могут применяться химическая и механическая очистка сбрасываемых вод в прудах—накопителях (с выпуском отстоявшихся вод в паводковые периоды), обратная закачка, подземное захоронение (возможно, как правило, в небольших количествах). При оценке способа удаления шахтных (рудничных) вод в гидрографическую сеть следует руководствоваться действующими нормами, правилами и положениями. В процессе разведки следует в обязательном порядке рассмотреть вопросы использования дренажных вод для различных целей.

В зависимости от качества и степени очистки дренажных вод целесообразно их использование для хозяйственно-питьевого водоснабжения, орошения, рыборазведения, в бальнеологических целях, в качестве гидроминерального сырья, сообразуясь с требованиями действующих стандар­тов и потребителей.

На участках намечаемого размещения гидротехнических сооружений (хвостохранилищ, прудов-отстойников, гидроотвалов) горных предприятий необходимо оценить возможное распространение загрязненных подземных вод. Для этого должна быть изучена гидрогеологическая обстановка, определены гидродинамические и миграционные (активная пористость, трещиноватость, коэффициенты молекулярной диффузии и механической дисперсии, а также сорбционная характеристика грунтов) параметры верхних водоносных горизонтов.

Методика определения миграционных параметров зависит от характера процессов массопереноса (миграции), происходящих в изучаемой породе. В трещиноватых породах преобладает механическая дисперсия, в слабопроницаемых глинистых породах - молекулярная диффузия. В песчаных породах могут иметь место оба процесса, и пренебрежение одним из них требует обоснования. Определение миграционных парамет­ров производится лабораторными методами и в полевых условиях с ис­пользованием индикаторов или трассеров. Для изучения ряда физико-химических процессов, например, сорбции и ионного обмена, лаборатор­ные методы являются основными [9,10 ].

Для песчано-глинистых пород и пористых блоков пород с двойной емкостью применяются лабораторные методы, для трещиноватых пород -полевые. Опыты с хорошо проницаемыми несвязными песчаными поро­дами проводятся в фильтрационных колонках. По данным опытов определяются активная пористость пород и коэффициент дисперсии. Экспери­менты с существенно глинистыми породами выполняются в фильтрацион­ных установках на образцах длиной несколько сантиметров. Определяют­ся коэффициент молекулярной диффузии, сорбционная емкость, коэф­фициент распределения.

Определение миграционных параметров трещиноватых пород прово­дится в полевых условиях посредством запуска индикатора в пласт через опытные скважины с последующим его улавливанием по соседним сква­жинам. Опыты проводятся как в естественных, так и в нарушенных по­токах. Область влияния опытов - несколько десятков метров.

В рекомендациях по гидрогеологическим исследованиях в процессе освоения и эксплуатации месторождений важно предусмотреть стационар­ные режимные наблюдения и контроль за изменением гидрогеологичес­ких условий, эффективностью осуществляемых защитных мероприятий, влиянием на действующие водозаборы подземных вод. Необходимо полу­чение информации для уточнения гидрогеологических прогнозов по опыту эксплуатационных работ. Необходима тесная увязка режимной сети на месторождении и сроков наблюдений с региональной режимной сетью.