Прогнозная оценка изменений инженерно-геологических условий

Прогнозная оценка инженерно-геологических условий с получением качественных или количественных характеристик выполняются обычно одновременно с гидрогеологическими исследованиями на стадии разведки, как правило, с помощью методов ана­логий, экспертных оценок, симптомов и др., оценки природных и техногенных факторов. При этом имеется возможность качественно оценить направленность и интенсивность воз­можных изменений инженерно-геологической обстановки района. К пер­спективным, требующим более полную инженерно-геологическую инфор­мацию, относятся аналитические методы прогнозирования и моделиро­вание, позволяющие с использованием детерминированных и статистических моделей геологической среды получить достоверные ее характеристики и прогнозировать развитие инженерно-геологических процессов и явлений, распространенных на МПИ.

Среди наиболее важных процессов и явлений , возникающих в подземных и открытых горных выработках при освоении полезных ископаемых и влияющих на качественную и количественную прогнозную оценку инженерно-геологических условий месторождения выделяются такие из них, которые часто связаны с техногенезом, имеют подчеркнуто гидрогеологическую природу, весьма трудно изучаются, оцениваются и прогнозируются. К ним относятся: оползни, карст, плывуны, оседание земной поверхности при откачках воды, нефти, газа и водопонижении, пучение, выпирания дна выработки и прорывы в нее подземных вод.

Так, изучая закономерности оползневого процесса перемещения горных пород на склонах и откосах с целью качественной оценки их устойчивости, необходимо четко охарактеризовать природную обстановку оползневой территории, рельеф, геологическое строение, подземные и поверхностные воды, климатические условия, тектонические особенности, свойства горных пород. Все это в целом опрделеяет условия возникновения и развития оползневого процесса.

Количественная прогнозная оценка условий устойчивости оползневых склонов и откосов на МПИ, в конечном итоге, сводится к определению соотношения между удерживающими R_уо и сдвигающими R_сдв силами по характерной наиболее вероятной или существующей поверхности скольжения. Это соотношение принято называть коэффициентом устойчивости – η.

n

η =∑ R_уд/ R_cдв

Это выражение для определения степени устойчивости воднооднородной среды, в которой оползание происходит по плавной поверхности скольжения можно записать в следующем виде:

n

∑ N_if+CL

i

η = --------------------- ,

n

∑ T_i

i

где N_i и T_i – нормальная и касательная составляющие веса расчетных блоков пород;

c и f – сцепление и коэффициент трения пород по плоскости скольжения длиной L.

С учетом действия гидродинамического давления это уравнение может быть записано в следующем виде:

n

∑ f (N_if –D_r.D.i.)+CL

i

η = --------------------- ,

n

∑ T_i

i

где D_r.D.i.=γ_в.*h_i*ω; γ_в – плотность воды; h_i – действующий напор в пределах расчетного блока; ω – площадь основания расчетного блока.

Из уравнения следует, что для количественной прогнозной оценки устойчивости естественного склона или искусственного откоса используются значения следующих показателей: плотности (для определения массы блоков), сцепления и трения кроме того, необходимы данные о составе, свойствах и состоянии горных пород. От степени точности изучения особенностей геологического разреза оползневого склона или откоса зависит надежность выбранной расчетной схемы (инженерно-геологической модели).

В основу качественного прогноза процессов карстового выщелачивания карбонатных пород положены геологические, геофизические, гидрогеологические и техногенные факторы. К геологическим факторам относятся условия распространения и залегания карбонатных пород изучаемой структуре (состав, мощность, химическая активность), степень метаморфизации и дислоцированности, мощность и литологический состав покровных образований. К геофизическим факторам относятся косвенные данные о наличии в породах карстовых полостей, установленных по результатам геофизических работ. К гидрогеологическим факторам относятся закономерности накопления и распространения трещинно-карстовых вод, условия связи их с поверхностными водами и водами покровных образований. К техногенным факторам следует отнести условия формирования нарушенного режима трещинно-карстовых вод, условия формирования нарушенного режима трещинно-карстовых вод под влиянием осушения, глубину и площадь распространения депрессионной воронки при осушении и др. Однако использование некоторых из них для количественного прогнозирования карстово-суффозионных процессов затруднено рядом объективных причин. Существует много предложений по определению скорости карстовой денудации. Н.В. Родионов ввел показатель современной активности карстового процесса

A=(V/V’)*100% ,

Представляющий отношение объема растворенной породы, которая выносится подземными водами из карстового массива за 1000 лет, к общему объему карстующихся пород и показывающий, какое количество породы в процентах выносится за тысячелетие.

А.Г. Чикишев использует балансовое уравнение, с помощью которого можно ориентировочно прогнозировать среднюю скорость растворения породы:

C=((c_n-c₀’)*g+( c_n-c₀)*g’)/t

Где c_n, c₀’, c₀ - соответственно среднее содержание растворимой соли, находящейся в подземных водах: а)после прохождения ими участка карстующейся породы за время t; б)в момент поступления их в пределы участка до времени t; в)попадающие в толщу карстующихся пород через их поверхность за время t.

В случае растворения поверхности пласта и образования крупных полостей и трещин их интенсивность можно прогнозировать, используя метод А.Е. Орадовской:

С=((c_n-c₀’)/γ_s*√B*V/X ,

где γ_s – плотность частиц грунта, c_n,c₀ – дефицит насыщения солью подземных вод, омывающих поверхность карстующейся породы, г/см³; В – параметр, зависящий от коэффициента диффузии, равный для карбонатных и сульфатных пород 1,75см²/с, для галогенных 3,18 см²/с, V – действительная скорость движения подземных вод, см/с, X – расстояние от растворяемой поверхности до точки определения дефицита насыщения подземных вод, см.

Для определения максимально возможных размеров кастовых провалов d используют зависимость В.Д. Слесарева, считающего, что реакция свода на нагрузку составляет σ_р*h, в то время как она в действительности равна (γhζtgφ +c)*h (где σ_р предел прочности породы свода на растяжение, имеющей коэффициент бокового давления ζ, мощность h и параметры прочности tgφ и с). Тогда размер полости, при которой свод обрушается, может быть рассчитан по формуле:

d=√ (6(γhζtgφ +c)*h)/γ.

Наибольшая мощность породы в своде, при которой еще не происходит его разрушения, равна:

h_кр= (√γ²ζ*tgφ*d² +c² –c )/ 2 γζ*tgφ

Если на поверхности расположено сооружение, передающее на основание нагрузку Р_с, размер полости d_кр определяется из выражения:

d_кр= √(2 [(Р_сα+γh)ζ*tgφ+c]*h)/γ,

где α – коэффициент, учитывающий изменение давления по глубине. Допускаемая нагрузка на основание составит:

Р_с=1/α[((γd²_кр/4h)-c*1/ζ*tgφ-γh]

Где h=√((Р_с αζ*tgφ+c)²+ γ²ζ d ²_кр tgφ )/2γζ* tgφ

Прогнозная оценка устойчивости закарстованных территорий путем количественной характеристики напряженного состояния пород с учетом техногенных воздействий может осуществляться несколькими методами, традиционно применяемыми в инженерной геодинамике: стационарных наблюдений, аналогий, аналитических, моделирования и др.

Один из методов количественного прогнозирования карстового провалообразования, на базе детерминированной модели, предложен Г.М. Шухунянцем. Метод основывается на расчете критической величины мощности перекрывающих пород, при которой под воздействием собственного веса и веса сооружения происходит их обрушение в карстовую полость по круглоцилиндрической поверхности. Диаметр провала определяется по формуле:

2(ch+γh²Ntgφ-2chMtgφ)

d=---------------------------------

P_c+P_n

где h – критическая мощность перекрывающих пород; P_c - вес сооружения; P_n- вес вышележащих пород; c, φ, γ – соответственно сцепление, угол внутреннего трения и удельный вес пород; M и N – параметры функции φ

Прогнозная оценка устойчивости карстовых территорий включает изучение: а) степени закарстованности массива пород, б)закономерности формирования и расположения кастовых полостей, в)наличие заполнителя в карстовых полостях, его состава и физико-химических свойств; г)динамики перемещения рыхлого заполнителя в закарстованном массиве под действием техногенных процессов при водопонижении и проведении горных выработок.

Качественными признаками истинных плывунов, которые необходимо выявлять при проходке горных выработок являются содержание в них глинистых частиц, не превышающие 3%, при преобладании песчаных частиц размером 0,25 – 0,05 мм и пылеватых; высокая пористость (40-45%), наличие органических веществ и микроорганизмов; низкая водопроницаемость и водоотдача; небольшое сопротивление сдвигу (угол трения 5-8^о).

Одним из основных условий возникновения плывунов является наличие гидростатического взвешивающего давления, подземными водами, насыщающими массив горной породы. Если подземные воды находятся в движении, к гидростатическому добавляется гидродинамическое давление – давление фильтрационного потока воды. Чем больше перепад давления, т.е. напор подземных вод, тем интенсивнее протекают процессы оплывания.

Характер поведения плывунов в последние годы объясняется гидродинамическим давлением поровой жидкости, специфическим составом и состоянием водонасыщенных песков.

Прогнозная оценка условий поведения плывунов в горных выработках связана с гидродинамическим давлением поровой жидкости, специфическим составом и состоянием водонасыщенных дисперсных грунтов.

Установлено (В. В. Радина, 1972) формирование избыточного порового давления в жидкой фазе плывунов за счет накопления газообразных продуктов жизнедеятельности микроорганизмов.

Если записать закон Кулона с учетом давления в порах плывунов как

τ_ef=σ_eftgφ ,

где σ_ef= σ-u; здесь σ, σ_ef , u- соответственно полное нормальное напряжение, эффективное напряжение в скелете, поровое давление в жидкой фазе.

При u=0 наступит потеря устойчивости плывуна, т.е. τ_u=0.

Если в естественных условиях вода, содержащаяся в плывуне имела некоторый напор Н, то при вскрытии слоя горной выработкой формируется перепад напора ΔН=Н-h, который создает гидродинамическое давление D= =Υ на единицу площадки, где Υ- гидравлический градиент.

Таким образом сопротивление сдвигу плывуна примет вид:

τ=(γ_срz- Υ ) tgφ,

где z – глубина залегания рассматриваемого сечения слоя плывуна; γ_ср – средний удельный вес вышележащих пород. В данном случае в роли порового давления выступает гидродинамическое давление, но оно может быть вызвано и другими причинами (например, жизнедеятельностью микроорганизмов).

В районах развития мощных толщ слабосцементированных пород, важное значение имеет прогнозная оценка возможного оседания земной поверхности в результате глубокого водопонижения при осушении месторождений. Ориентировочные расчеты могут 6ыть основаны на предположении о том, что вертикальное оседание земной поверхности равно суммарному умень­шению мощности слоев, уплотняющихся в результате снятия гидростати­ческого напора в водоносных горизонтах и соответствующего увеличения эффективных напряжений.

Приближенная величина оседания земной поверхности под действием одно­осной вертикальной нагрузки может быть определена по формуле

ΔS=ΔP

где ΔP — уменьшение пластового давления в результате водопонижения, определяемое по величине ожидаемого понижения уровней подземных вод; — мощность сжимаемого слоя; — коэффициент сжимаемости слоя, определяемый по данным компрессионных испытаний. За мощность сжимаемого слоя следует принимать мощность водоносного горизонта, в котором понижается пластовое давление, и часть мощности смежных с ним глинистых пластов — примерно 20—30 м. При величине прогнозного оседания пород 0,5м и более требуется выполнение более обоснованного прогноза.

Вторичная консолидация пород и связанные с ней процессы уплотнения верхнего глинистого водоупорного слоя, вследствие уменьшения взвешивающего противодавления, при водопонижении зависят от понижения уровня напорных вод.

Оценка деформации поверхности земли при понижении уровня подземных вод может быть произведена по величине уплотнения осушенных пород (S_y), определяемой по уравнению:

Δγ_n*Δh²

S_y=-------------- ,

2ky

где Δγ_n – приращение веса осушенных пород;

Δh – величина понижения уровня воды;

К_у – коэффициент уплотнения пород, определяемый лабораторным методом, Па [ ].

Коэффициент уплотнения является основным показателем степени деформируемости пород и аналитически рассчитывается по соотношению

K_y=ΔPh/Δh , где

ΔP- прирост давления осушенной части водоносного горизонта.

Амплитуда оседания пород выше уровня подземных вод будет составлять

S_o=Δγ_n*Δh*h_i/K_y, где

h_i – уровень водоносного горизонта, установившийся после понижения на величину Δh

Суммарное оседание пород по всей высоте водоносного пласта составляет

Δγ_n*Δh Δh

S=S_y+S_o=--------------- (h₁+-------)

K_y 2

В случае фильтрационной неоднородности водоносного горизонта K_y определяется для каждого литологического слоя отдельно с учетом его мощности. Общая величина оседания пород во всех слоях составит

S_общ=S_y+S_o+…. S_i

Для оценки величины деформации поверхности земли в результате осушения пород можно использовать значения K_y для различных типов пород из таблиц работы Н.И. Плотникова и С. Краевского (1983)

Прогнозная количественная оценка деформации поверхности земли, происходящей под влиянием техногенных процессов представляют определенные трудности, связанные с учетом литологической и фильтрационной неоднородности разреза, с учетом двух стадий вторичной консолидации осушенных пород – фильтрации и ползучести, требующий определения в процессе инженерно-геологического исследования.

Прогнозная оценка возможности возникновения процессов пучения, выпирания дна горной выработки и прорыва в нее подземных вод определяются как условиями вскрытия глинистых водоупорных пород, перекрывающих нижележащий водоносный горизонт с напорной водой, так и величины гидростатического давления, испытываемого глинистыми породами и образованием горнообразного вздутия (пучения) в дне выработки.

Прогнозная оценка возможности пучения и выпора дна котлована и прорыв подземных вод в выработку определяется различными методами, изложенными в специальной литературе [ ].

Так Н.Г. Паукером предложена следующая формула для определения допустимого гидростатического напора Н_пр, предотвращающего выпор и прорыв подземных вод из подошвы выработки:

2σ*h γ₀

H_пр= --------- +----- h, где

ηγ_в l_э γ_в

σ – временное сопротивление глинистых пород на прорыв их водой в т/м² определяемое в лаборатории на спецприборе;

h – расчетная мощность водоупора, м;

γ_в - объемный вес воды, т/м³

γ₀ – объемный вес водоупорной породы, т/м³

l_э - эквивалентная ширина выработки, определяемая по выражению l_э =α*l/α+l, где α – протяженность выработки, l – ширина выработки, м; η – коэффициент запаса, принимаемый равным 3-4.

При значительной ширине выработки возможность прорыва напорных вод в нее определяется по формуле: Н₀γ_в< γ₀h, где Н₀-гидростатическое давление на подошву водоупора в естественных условиях.

Пучение, выпор дна выработки и прорыв воды в нее на практике устраняется путем снижения напора в напорном водоносном горизонте до безопасных величин, что устанавливается гидрологическими расчетами.

Так, для расчета безопасного напора В.Д. Слесаревым предложил ряд аналитических формул при следующих условиях их применения:

а) если водоносный горизонт залегает в почвы подземной выработки -

Н_без=(2R_p*m²/l²+γm)/γ_в;

б)если водоносный горизонт залегает в кровле подземной выработки – Н_без=(2R_p*m²/l²-γm)/γ_в;

Для получения качественных и количественных характеристик рассматриваемых процессов и их последующий прогнозной оценки необходимо проведение лабораторных и опытных работ, рассмотренных в опубликованной специальной литературе [ 9, 10].

Изменения геологической среды в процессе предстоящего промышленного освоения месторождений отображаются на прогнозных геологических картах, на которых определяются таксономические единицы относительно предполагаемых уровня и масштаба изменения геодинамической обстановки района, состава, состояния и физико-механических свойств пород, физических полей и других инженерно-геологических свойств массива.

3. Эколого-гидрогеологические основы охраны, рационального использования и защиты геологической среды от негативного влияния техногенеза

В данном разделе рассмотрены эколого-гидрогеологические основы охраны, рационального использования и защиты окружающей среды от негативного влияния техногенеза на окружающую среду и особенно человека в горнодобывающем производстве, при эксплуатации подземных вод хозяйственно-питьевого назначения и захоронении токсичных отходов.

3.1 Горнодобывающее производство

Освоение МПИ приводит к серьезным изменениям в естественных водном и химическом балансах подземной гидросферы, при этом региональный характер приобретает сокращение ресурсов подземных вод, в результате которого водозаборы, попадающие в зону влияния дренажных работ, снижают производительность или выходят из строя; нарушаются условия питания открытых водоемов и водотоков; развиваются мощные зоны техногенной аэрации, что нарушает естественный влажностный режим почв и грунтов. Процессы загрязнения подземных вод обычно являются неизбежным результатом отвода, сброса и накопления в поверхностных бассейнахрудничных и технических вод, а также следствием смещения естественных гидрохимических границ при дренаже и водоотливе из горных выработок. Это превращает горнодобывающие районы в наиболее "горячие" точки с позиций охраны подземных вод от истощения и загрязнения. Среди известных примеров такого рода можно упо­мянуть Курскую магнитную аномалию (КМА) и Мосбасс, соленосный бассейн Предуралья и железорудные провинции Восточной Сибири.Практическая значимость и крупные масштабы проявления упомянутых процессов наряду с высокой сложностью предопределили необходимость интенсивного их изучения.

Накопленный опыт показывает, что проблема, охраны подземных в горнодобывающих районах имеет свою специфику, обусловленную технологией горного производства. Решение этой проблемы требует, по мнению Н.И. Плотникова и В.А. Мироненко, пересмотра принципов гидрогеологической разведки месторождений и проектирования систем их осушения: подземная вода, традиционно воспринимаемая горняками как "враг производства", до­лжна рассматриваться и как первостепенный экологический фактор, и как важнейшее полезное ископаемое.

При этом наиболее важными являются гидродинамические, гидрогеохимические и другие процессы.

В изменении гидродинамического баланса открытых водоносных структур играют следующие фак­торы: 1. естественные водотоки и водоемы, претерпевающие инверсию и из областей стока превращающиеся в области питания; 2. инфильтрационное питание, возрастающее вследствие нарушения рельефа, ликвидации покровных отложений и понижения уровней грун­товых вод; 3. технические водоемы, благодаря которым со временем формируется устойчивый воднобалансовый цикл (объем воды, откачиваемой дренажными системами, час­тично или даже полностью компенсируется фильтрацией из гидроотва­лов, хвостохранилищ и т.п.)

Примером (по В.А, Мироненко, 1998) рассматриваемых закономерностей формиро­вания нарушенного режима подземных вод, являются горнодобывающие районы КМА. Так, в пределах Губкинско-Стойленского железорудного района основные запасы пресных вод связаны с меловым водоносным комплексом, питание которого осуществляется за счет атмосферных осадков и ис­кусственно созданных водоемов (хвостохранилищ Лебединского и Стойленского горнообогатительных комбинатов, Старооскольского водохранилища и др.). Разгрузка подземных вод происходит в дренажные системы Лебединского и Стойленского карьеров. Строительство и эксплуатация горнопромышленных предприятий, а также от­бор воды для хозяйственного и питьевого водоснабжения привели к значительному нарушению гидродинамического режима подземных вод прилежащей территории и условий их взаимосвязи с поверхностными водами. Понижение напоров на контурах карьеров вызвало частичное осушение мергельно-мелового горизонта. Заметное увеличение региональной депрессионной воронки в широтном направлении обусловлено и действием городских водозабо­ров. Менее выраженный характер имеет взаимодействие региональ­ного потока с инфильтрационными водами мелких природных водотоков (р.Осколец и ее притоки) и водоемов, которые из областей стока при нарушенном режиме превратились в источники питания подземных вод. Нестационарный режим фильтрации подземных вод, характерный для первых этапов эксплуатации месторождений, довольно быстро сменился стацио­нарным, что обусловлено относительной близостью дренажных систем, служащих мощным источником дополнительного питания водоносных горизонтов. Это способствовало возникновению в районе замкнутого воднобалансового цикла, когда значительная доля откачиваемой при водопонижении воды после участия в различ­ных технологических процессах возвращается в водоносные пласты.

Отмеченные изменения в подземной гидродинамике во многом оп­ределяет возможность, масштабы и специфику загрязнения водоносных комплексов в горнодобывающих районах: возрастает поступле­ние гидрохимических загрязнений с поверхности за счет фильтрацион­ных потерь из бассейнов промышленных стоков и поверхностных водо­токов, содержащих загрязняющие компоненты; из-за резкого увеличе­ния скорости фильтрации подземные воды становятся активными переносчиками загрязнений; не­гативные тенденции в изменении качества подземных вод усиливаются благодаря изменению характера и условий взаимосвязи водоносных го­ризонтов, содержащих воды некондиционного состава; отмечается активизация физико-химических процессов как в зоне аэрации (при снижении уровней подземных вод), так и в глубоких зонах обводненного разреза (вследствие поступления вод иного состава).

Изменение естественной гидрохимической обстановки обусловлено пре­жде всего инфильтрацией из поверхностных техногенных бассейнов (хвосто- и шламохранилищ, прудов-отстойников, гидроотвалов и т.п.) сточных растворов горного производства. Кроме того загрязненные во­ды поступают с поверхности, нарушенной горными и строительными ра­ботами (в частности, складированием отвалов), из старых горных выработок или загрязненных естественных водоемов и водотоков.

Так, (по В.А.Мироненко), под действием перечисленных факторов природные подземные воды в Губкинско-Стойленском железорудном районе на значительных площадях час­тично или полностью заместились техногенными стоками, что обусловило опас­ность ухудшения качества воды, отбираемой водозаборами и горными дренажами. В меньшей степени защищен от загрязнения в этом районе горизонт, являющийся активным переносчиком компонентов, мигрирующих из бассейнов промышленных стоков.

Наиболее серьезные изменения качества подземных вод наблюдаются на участках накопления в поверхностных бассейнах сильноминерализованных промышленных стоков. О масштабе и характере процессов засоления водоносных массивов можно судить по данным, полученным на одном из калийных месторождений Предуралья. Через два-три года после введения в экс­плуатацию шламохранилища, куда сбрасывалась пульпа с содержанием солей в жидкой фазе до 250 г/кг, начали проявляться первые признаки засоления водонос­ного горизонта, представленного терригенно-карбонатными породами. В плане поперечные размеры ореола загрязнения растут по направлению подземного потока: ширина области засоления подземных вод от источника загрязнения к местам их естественной разгрузки увеличивается пример­но в 2 раза. Это свидетельствует о широком развитии в трещиноватых породах про­цессов смешения сточных и естественных вод. В разрезе ореола отмечается существенная гидрохимическая неоднородность. Вблизи источника загрязнения четко выражены изменения минерализации как по горизонтали, так и по вертикали.

Анализ полученных гидрогеохимических материалов позволил выявить на фоне хорошо выраженных гидродинамических механизмов миграции рас­солов физико-химические процессы (в первую очередь - ионный обмен), приводя­щие к заметной метаморфизации вод в пределах ореола засоления.

Еще одним источником загрязнения подземных вод служат отвалы вскрышных пород. Пли взаимодействии с ними атмосферной влаги про­исходит выщелачивание отдельных минералов, дающих разнообразные компоненты-загрязнители, поступающие затем с инфильтрационными во­дами в водоносные горизонты. Достаточно типичным для железорудных и полиметаллических месторождений является выщелачивание из пород сульфидных минералов.

Так, (по В.А. Мироненко, 1998) на Ковдорском железорудном месторождении окисление пирроти­на и пирита послу­жило причиной сульфатного загрязнения подземных вод, разгружаю­щихся в карьер на западном фланге месторождения, где под отвалы заняты значи­тельные площади. Максимальные концентрации сульфатов в дренажных водах отмечаются в летние месяцы, когда активизируется жизнедеятельность микроорга­низмов, играющих роль катализаторов в реакциях окисления. Одновременно с накоплением сульфат-ионов происходит повышение рН воды, что объясняется парал­лельным развитием реакций гидролиза щелочных и ультраосновных пород.

В целом гидрохимическая обстановка в районах разработки место­рождений обычно резко меняется к худшему и для обеспечения экологи­ческого равновесия и нормальных условий водоснабжения нередко тре­буется проведение дополнительных дорогостоящих водоохранных меро­приятии.

Как показывает практика процессы загрязнения и истоще­ния ресурсов подземных вод в горнодобывающих районах часто тесно связаны между собой: с одной стороны, осушение водоносных горизонтов интенсифицирует миграцию техногенных растворов и природных не­кондиционных вод, резко увеличивая опасность загрязнения подземных вод; с другой, загрязнение непосредственно приводит к сокращению ре­сурсов подземных (а в ряде случаев и поверхностных) вод, делая их частично или полностью непригодными для использования в народном хозяйстве. Такая взаимосвязь определяет комплексный характер проб­лемы управления ресурсами и качеством подземных вод при горных разработках.

Сокращение естественных запасов подземных вод, обусловленная превышением темпов водоотбора при дренировании водоносных пластов над интенсивностью питания и есть истощение запасов подземных вод. Если при этом происходит сброс дренажных вод в речную сеть, то такое истощение наносит прямой экологический ущерб или приводит к существенному ухудшению условий водопользования в горнодобывающем районе. В противном случае, когда отбираемые дренажные воды используются в народном хозяйстве, истощение подземных вод является экономи­чески оправданным. В зависимости от выбранной схемы использования водных ресурсов горнодобывающего района может носить сугубо негативный характер или быть достаточно рациональным.

Отбор подземных вод в количестве, превышающем установленные эксплуатационные запасы, приводит к истощению эксплуатационных ресурсов подземных вод. Тем самым создается ситуация, когда осушение месторождения приводит к сокращению планируемых сроков экс­плуатации водозаборов хозяйственно-питьевого назначения. Она обычно усугубляется интенсивным загрязнением дренажных вод, частично или полностью исключающим их использование. Поэтому опасность

истощения эксплуатационных ресурсов обусловливает необходимость проведения мероприятий по их охране.

Истощение эксплуатационных запасов подземных вод обычно явля­ется следствием многочисленных и разнообразных изменений в гидроди­намической обстановке под влиянием горного производства. Поэтому важно выделить основные факторы, обусловливающие возможность и масштабы этого процесса. Если говорить о природных факторах, то глав­ными из них являются: условия питания и раз­грузки водоносных комплексов, степень их взаимосвязи с поверхност­ными водоемами и водотоками, а также между собой; фильтрационные свойства водоносных и отно­сительно водоупорных пластов. По характеру проявления этих факторов выделяются три основных источника формирования эксплуатацион­ных запасов подземных вод, предопределяющих водопритоки к дренаж­ным устройствам и в горные выработки: 1. упругие запасы; 2.привле­каемые ресурсы смежных с эксплуатируемым водоносных горизонтов; 3. привлекаемые ресурсы поверхностного стока и инфильтрация из поверхностных (в том числе техногенных) бассейнов.

Среди факторов техногенного характера выделяются следующие: способ ведения горных работ (открытые работы, сопряженные с необходимостью дренажа всех водоносных горизонтов вскрышной толщи, способствуют более интенсивному истощению подземных вод); схема горных работ и соответствующие ей требования к степени осушения породы; в условиях открытой разработки использование на вскрышных работах средств гидромеханизации, создающих наиболее благоприятные условия для сохранения ресурсов подземных вод; при подземной разработке наибо­лее благоприятны системы с закладкой выработанного пространства, на­именее — системы с полным обрушением кровли; принятая схема и требуемые сроки дренажа месторождения (предварительный дренаж обычно вызывает более интенсивное истощение, чем параллельный); техногенных изменений в условиях взаимосвязи поверхностных и подземных вод (происходящих, например, в процессе запол­нения технических водоемов стоками или при отводе реч­ных вод за границы месторождения); схемы оборотного водоснабжения, сброса и использования дре­нажных вод.

Следовательно, основные меры по защите подземных вод от исто­щения определяются проектными решениями по горным работам, дре­нажу месторождения и схеме водоотвода и сброса рудничных вод, а так­же по строительству и эксплуатации бассейнов промышленных стоков и гидротехнических сооружений, сопутствующих горному производству. Из дополнительных мероприятий специального характера важно отме­тить искусственное восполнение запасов подземных вод, рассмотренного ниже

Таким образом, важнейшее условие эффективного управления ресурсами подземных вод и охраны их от истощения в гор­нодобывающем районе - это тесная увязка проектируемых систем осу­шения месторождений со схемой водообеспечения района по линии мак­симального использования дренажных вод для технического и по воз­можности хозяйственно-питьевого водоснабжения. Такого рода возмож­ность должна рассматриваться для всех месторождений, где предполага­ется дренирование водоносных пластов, содержащих воду хорошего ка­чества. Соответствующие решения, касающиеся хозяйственно-питьевого водоснабжения, базируются на оценке запасов подземных вод и прогнозе их качества с учетом возможных мероприятий по защите водоносных горизонтов от истощения и загрязнения (а иногда и дополнительных по очистке дренажных вод). Такую оценку необходимо проводить уже на стадии детальной разведки месторождения.

В соответствии с "Основами водного законодательства", использо­вание водных ресурсов должно быть рациональным и прежде всего удов­летворять питьевые и бытовые нужды населения. Между тем до сих пор громадные объемы подземных вод, извлекаемые из недр при осушении месторождений полезных ископаемых, нередко сбрасываются в поверх­ностные водоемы и водотоки, хотя во многих районах, прилегающих к дренируемым карьерам и шахтам, чистой воды не хватает. Такая ситуа­ция объясняется тем, что для использования дренажных вод в системе хозяйственно-питьевого водоснабжения требуется специальное обосно­вание их запасов и обеспечение нормативного качества. Связанные со всем этим затруднения обусловлены разобщенностью ведомств, ответственных за принятие необходимых решений по согласованию проектируемых систем осушения с задачами водоснабжения района в целом.

Параллельное решение задач осушения и водоснабжения базируется на оценке эксплуатационных запасов подземных (дренажных) вод. Ввиду того, что для новых месторождений она должна основываться на данных разведки и в то же время проводиться применительно к вероят­ной схеме дренажа (водозабора), а запасы — оцениваться преимущественно по низким промышленным категориям. При этом оценка качества дренажных вод, на стадии разведки .часто ненадежна из-за отсутствия необходимой: информации об ус­ловиях и параметрах миграции. Поэтому обоснование запасов дренажных вод по качественным показателям может быть выполнено лишь по результатам опытно-эксплуатационных работ - на основе данных режимных наблюдений.

Впервые в практике работы государственной комиссии по запасам полезных ископаемых (ГКЗ) одновременно с запасами железной руды были утверждены запасы по категориям (В+С₁) дренажных вод на двух месторождениях КМА – Лебединском и Приоскольском.