Анализ гидрогеологических условий золоторудного поля контактово-карстового типа в связи с проблемой подтопления разрабатываемых залежей
- Подробности
- Автор: Палкин С.С.
Одно из значимых в золотодобывающей отрасли России и разрабатываемое десятилетиями богатое рудное поле находится в азиатской части страны и расположено на водораздельных горно-таежных пространствах крупных рек, на территории с резко континентальным климатом и избыточным увлажнением. Объект разработки занимает площадь порядка 200 кв. км и образован десятком сближенных месторождений, отрабатываемых локальными карьерами при максимальной их глубине до 50 м.
По результатам предшествующей геологической разведки и совокупности других данных о мерзлотно-гидрогеологических условиях все месторождения рудного поля по степени обводненности были отнесены к типу объектов с благоприятными условиями для открытой разработки полезного ископаемого и проведением дренажных мероприятий только применительно к атмосферным осадкам. Характерно, что за весь длительный период ведения горных работ каких-либо горно-геологических осложнений, связанных с гидрогеологическими условиями объектов, у недропользователя до настоящего времени не возникало. Однако, в последнее время на некоторых участках месторождений при начале добычи и после проведения вскрышных работ и углубления карьеров на 10 - 20 метров от земной поверхности, возникли существенные осложнения их горно-технических условий. Это проявилось в избыточном переувлажнении рудных и рудовмещающих горных пород на рабочих горизонтах карьерных выработок, определивших их слабую устойчивость и, в конечном итоге, приведшее к остановке добычных работ с использованием парка тяжелой автотракторной техники.
Компании ГИДЭК было поручено оценить гидрогеологические условия «проблемных» месторождений рудного поля, установить причину обводнения карьерных выработок и разработать рекомендации как по оптимальному способу водопонижения и осушения рабочих и добычных горизонтов для отработки карьеров до проектных отметок, так и по составу гидрогеологических исследований, необходимых для обоснования и реализации соответствующих инженерных мероприятий.
Следует отметить, что изученность гидрогеологических условий рудного поля слабая, обусловленная многолетним успешным опытом разработки месторождений рудного поля при отсутствии каких-либо осложнений, связанных с деятельностью подземных и поверхностных вод. Все приводимые ниже сведения получены ГИДЭК на основе анализа разнообразной и разрозненной информации недропользователя, а также с помощью натурных наблюдений.
В геоструктурном плане эта территория обладает двухъярусным геологическим разрезом. Основание сложено кристаллическими сланцами и гнейсами архея, а платформенный чехол представлен горизонтально залегающими осадочными породами, среди которых превалируют карбонаты раннего палеозоя. С приповерхностной частью чехла связана промышленная рудоносность, приуроченная к терригенным отложениям позднего мезозоя. Последние, мощностью в среднем порядка 50 м, фрагментарно развиты по субмеридиональным карстово-эрозионным депрессиям карбонатного субстрата (рис. 1). «Материнский» литологический облик рудоносных отложений - полевошпат-кварцевые песчаники. В результате гипергенеза они преобразованы в рыхлый интенсивно лимонитизированный песчано-глинистый материал, в который погружены в различной степени выветренные обломки коренных пород. По территории рудного поля отмечается макро-фациальная изменчивость рудоносных пород, характеризующаяся возрастанием глинизированности разреза с севера на юг. Аналогичная изменчивость отмечается и в пределах отдельных депрессий, но в направлении от их бортов к днищам.
Венчают геологический разрез рудного поля маломощные (до 5-6 м) неоген-четвертичные образования, представленные песчано-глинистыми элювиально-делювиальными осадками, глинами карстовых полостей и кор выветривания на выступах карбонатного «плотика».
Мерзлотная обстановка имеет островной характер, с разнообразием геометрии мерзлых и охлажденных блоков размерами до 20-40 м.
В гидрогеологическом отношении район принадлежит бассейну трещинно-карстовых вод. Основным элементом разреза является трещинно-карстовый водоносный горизонт. Основной источник формирования его ресурсов - это инфильтрация атмосферных осадков. Проницаемость горизонта достаточно высокая и занимая на площади рудного поля водораздельное положение, он характеризуется глубоким залеганием естественного уровня подземных вод (150-200 м от поверхности земли) - рис.1. Это существенно ниже подошвы рудоносной толщи, так как последняя находится в составе сложно построенного в геофильтрационном отношении водоносного комплекса грунтового характера, объединившего позднемезозойские и неоген-четвертичные отложения со спорадической обводненностью. Последняя обуславливается, с одной стороны, неравномерностью его инфильтрационного питания внутри года, а с другой — ограниченностью в плане и разрезе водопроводящих литологических разностей пород среди общей массы отложений. Наиболее обводненными здесь следует считать неоген-четвертичные образования, сложенные преимущественно песчаными разностями. Имея характер сплошного покрова и залегая в естественных условиях первым от поверхности, этот гидростратиграфический элемент разреза принимает на себя инфильтрационное питание и обеспечивает его пространственное перераспределение. Очевидно, что большая часть этого питания нисходящим движением поступает в нижезалегающий трещинно-карстовый водоносный горизонт через его мощную зону аэрации; другая — латеральным потоком, согласно уклону земной поверхности, стремится к ближайшему местному эрозионному врезу.
Обводненность позднемезозойской части разреза этого водоносного комплекса весьма слабая. Обладая общей водонасыщенностью, его породы характеризуются в основном слабой водоотдачей. Поскольку они выполняют, в основном, карстовые понижения в карбонатном субстрате, то поступление и накопление подземных вод здесь может происходить только за счёт притока к ним вод из неоген-четвертичных отложений со стороны внешних бортовых частей рудоносных депрессий, обращенных к местному приводораздельному склону (рис.2).
Разгрузка подземных вод на таких участках происходит, в основном, замедленным оттоком в нижележащий трещинно-карстовый коллектор. При этом считая, что его интенсивность определяется степенью проницаемости юрских измененных осадков, можно предположить, что отмеченное возрастание их глинизированности к южному замыканию рудного поля является одним из факторов формирования здесь обводненности горных выработок.
Все приведенные сведения по гидрогеологическим условиям обуславливают незначительную, в целом, обводненность всех месторождений этого рудного поля и определяют благоприятные условия для открытой разработки полезного ископаемого с проведением дренажных мероприятий только применительно к атмосферным осадкам через систему нагорных канав и внутрикарьерных водосборников. Более того, фактическое удаление атмосферных осадков из карьеров происходило путем естественной нисходящей фильтрации на площади рабочего
Зафиксированная же сейчас на ряде карьеров избыточная увлажненность первых рабочих горизонтов и резкое снижение несущей способности пород обусловлена деятельностью подземных вод, отдельные (единичные) точечные выходы которых в виде родников наблюдались (и наблюдаются) по уступам и дну карьерных выработок.
Анализ природных условий карьерных разработок, проведенный ГИДЭК, позволил установить, что в формировании обводненности карьеров наряду с атмосферными водами принимает участие и подземных сток.
Атмосферные воды, поступающие непосредственно на площадь карьера и притекающие к нему поверхностным плоскостным стоком с окружающей территории, имеет превалирующее значение и оцениваются в первые тысячи м3/сут.
Грунтовые подземные воды формируются в результате инфильтрационного питания на прилегающей к карьеру водосборной площади. При этом значительная часть этого питания (модуль около 3 л/с×км2), поступающего в первый от поверхности грунтовый водоносный комплекс, расходуется в результате нисходящего движения на питание нижележащего трещинно-карстового водоносного горизонта. Другая, менее значимая его величина, создает латеральный поток в приповерхностной части разреза. Количественные оценки распределения этого питания выполнены только экспертным путём и определяются нами в соотношении 2:1, при котором расход питания, формирующий латеральный поток, оценивается модулем не более 1 л/с×км2. Направление латерального грунтового потока контролируется современной формой рельефа - от водоразделов к тальвегам эрозионных врезов. Гидрогеологическая модель формирования подземного стока в природных условиях схематично отражена на рис. 2 (а).
При разработке рудных тел и их вскрытии карьером движение подземных вод претерпевает частичную перестройку. По-прежнему, большая часть инфильтрационного питания расходуется на питание трещинно-карстового горизонта. Однако, латеральный поток испытывает дренирующее влияние горной выработки и разгружается в борту и днище карьера по зонам водопроницаемости в рудовмещающих породах в виде точечных источников с ограниченными дебитами (рис.2 б), как это было зафиксировано натурными наблюдениями. Ориентируясь на литологический облик водовмещающих пород, следует предполагать, что подземные воды имеют спорадический характер распространения. Циркуляция подземных вод происходит по отдельным, может быть разобщенным, направлениям, приуроченным в слое четвертичных образований к существенно песчаным породам, а в толще позднемезозойских пород — к зонам слабоизмененных, но обладающих за счет трещиноватости некоторой водопроницаемостью, первичных осадков. Конкретное их местоположение не известно и вряд ли может быть установлено рациональными в технико-экономическом отношении методами исследований. Их выявление более реально только в результате проведения опытно-эксплуатационных работ.
Приводораздельное положение целевых объектов (карьеров) вблизи водоразделов частных водосборных площадей определяет весьма ограниченный расход подземного потока, который может участвовать в обводнении карьерных разработок. Возможные размеры площади дренирования подземного потока карьерами оцениваются в 1-2 км2 и расход формирующегося здесь потока составляет 1-2 л/с, т. е. не более 100-200 м3/сут. Таким образом, составляющая водопритока за счёт подземных вод является по объему весьма небольшой и существенно меньшей, чем прогнозируемый к поступлению в карьер объем дождевых и снеготалых вод.
При благоприятных условиях фильтрации воды через дно рабочего горизонта карьера и толщу позднемезозойских отложений, как это происходит (и происходило) на ранее отрабатывавшихся карьерах, поступление подземных вод в таких объемах не оказывает негативного влияния на состояние обводненности рабочей площадки карьера и, соответственно, устойчивость слагающих ее горных пород. Однако, эффект пассивной фильтрации воды в днище карьеров, где сейчас зафиксировано переувлажнение рабочих горизонтов, с переводом ее на уровень трещинно-карстового горизонта не проявляется. Предполагается, что основной причиной этого является весьма низкая водопроводимость рудоносных и вмещающих пород юры по вертикали, существенно меньшая, чем в контуре других, успешно отрабатываемых карьеров. Предпосылкой этому может рассматриваться и геоморфологическая позиция этих карьерных выработок – в пониженной, по отношению в апикальным частям местных водоразделов, части склона, где формировались повышенная глинистость пород.
К сожалению, такой вывод базируется только на результатах сопоставительной оценки сложившейся ситуации на горных разработках рудного поля и носит предварительный характер. Для более определенной квалификации сложившейся на «проблемных» карьерах ситуации отсутствует необходимый фактический материал, позволяющий оценить в пределах рудного поля в целом и отдельных его месторождений пространственную изменчивость структурно-текстурных и водно-физических свойств пород целевого разреза в плане и по вертикали.
Для его подтверждения, выработки и конкретизации технических решений по дренажу обводненных карьеров целесообразно проведение этапа специальных инженерно-гидрогеологических исследований, обеспечивающего обоснование мероприятий по дренажу. При этом необходимо учитывать, что для осушения карьеров от поступающих в контур разработки подземных вод необходимо применять метод горизонтального дренажа на рабочем горизонте через систему открытых опережающих водосборных траншей с некоторым числом зумпфов-водосборников. Поступившая в них вода будет удаляться за пределы горной разработки или путем откачки воды поверхностными циркуляционными насосами, или сбрасываться через поглощающую скважину в нижний, глубокозалегающий, карбонатный водоносный горизонт.
Общая методическая направленность гидрогеологических исследований, результаты которых конкретизируют отмеченные выше предложения по созданию внутриконтурной дренажной системы и дадут оценку ее возможной эффективности в
1) в пределах одного из проблемных карьеров, где, например, явно наблюдаются поступления в карьер подземных вод, оконтуривается опытный участок примерным размером 100 ×100 м;
2) производится изучение геолого-гидрогеологических условий опытного участка бурением 5 картировочно-гидрогеологических скважин (по схеме «конверт») с комплексом опробовательских работ (отбор керна, откачки из обводненных интервалов, лабораторные работы в пробах грунта на исследование водно-физических свойств). Конечная глубина скважин определяется вскрытием кровли подстилающих рудоносную толщу карбонатных пород на глубину 30 м и последние опробуются в режиме налива для оценки их поглощающей способности;
3) опытный участок с рабочего горизонта рассекается ортогональной сеткой дренажных траншей глубиной 5 м с образованием блоков (ячеек) дренирования. Предварительно размер одного блока может быть принят 20×20 м. Сооружается общий водосборник с дренажно-поглощающей скважиной. Местоположение водосборника определяется результатами исследований поглощающей способности карбонатов картировочно-гидрогеологическими скважинами;
4) для проведения наблюдений за интенсивностью дренирования опытного блока горных пород здесь создается сеть ярусных по мощности дренируемых пород пьезометров с оборудованием их точечными фильтровыми элементами в относительно водопроницаемых литологических разностях пород. Количество пьезометров и места установки фильтров определяются по результатам детального описания и лабораторных исследований керна картировочно-гидрогеологических скважин;
5) на подготовленном опытном участке проводится комплекс гидрогеологических наблюдений за накоплением воды в траншеях, ее оттоком по траншее и поступлением в дренажно-поглощающую скважину, изменением уровня в осушаемом блоке пород. Период наблюдений в пределе должен охватывать гидрологический год или, как минимум, период года от конца зимней межени до начала следующей;
6) перечисленные наблюдения необходимо сопровождать наблюдениями за основными метеорологическими элементами (осадки, температура).
В последовательности предлагаемых на опытном блоке работ может быть сделан акцент для сравнительной оценки эффективности осушения через горизонтальные и вертикальные дрены. Для этого сначала сооружается поглощающая скважина и по сети пьезометров оценивается интенсивность дренирования горных пород. Затем, степень дренирования опытного участка увеличивается за счет сооружения горизонтальных дрен, также с проведением наблюдений за осушением.
Принимая во внимание необычность выявленной гидрогеологической ситуации и нестандартный подход к обоснованию дренажных мероприятий, в дополнение к перечисленным выше исследованиям, необходимо предусмотреть работы направленные для исследования (подтверждения) гипотезы о причинах возникновения подтопления отдельных карьерных полей и отсутствии такового на других. Полагаем, что для этого потребуется проведение гидрогеологического бурения на толщу позднемезозойских рудоносных отложений как в контуре избыточно обводненных, так и на благополучных в этом отношении карьерах с целью получения блока фактического материала для сопоставительных оценок: -литологическое строение и минералогическая характеристика разреза; подробный и детальный гранулометрический состав пород, -водно-физические свойства пород, водопроницаемость характерных литологических разностей, мерзлотное состояние пород, положение уровней грунтовых вод.
