Подземные воды при разработке полезных ископаемых

ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ (а. underground waters; н. Grundwasser; ф. eaux souterraines, eaux de sous-sol; и. aguas subterraneas) — воды, находящиеся в толщах горных пород верхней части земной коры в жидком, твёрдом и парообразном состоянии. Подземные воды являются частью водных ресурсов. В областях существования подземных вод температура колеблется от -93 до 1200°С, давление — от нескольких до 3000 МПа. В зависимости от характера пустот водовмещающих пород подземные воды делятся на: поровые — в песках, галечниках и других обломочных породах; трещинные (жильные) — в скальных породах (гранитах, песчаниках); карстовые (трещинно-карстовые) — в растворимых породах (известняках, доломитах, гипсах и др.).

Подземные воды, перемещающиеся под влиянием силы тяжести, называются гравитационными или свободными водами, в отличие от связанных вод (гигроскопические, плёночные, капиллярные и кристаллизационные воды). Слои горных пород, насыщенные гравитационной водой, образуют водоносные горизонты, или пласты, составляющие водоносные комплексы, горные породы которых обладают различной степенью влагоемкости, водопроницаемости и водоотдачи.

Первый от поверхности Земли постоянно существующий безнапорный водоносный горизонт называется горизонтом грунтовых вод. Непосредственно над их поверхностью (зеркалом грунтовых вод) распространены капиллярные воды, которые могут быть подвешенными, т.е. несообщающимися с зеркалом грунтовых вод. Всё пространство от поверхности Земли до зеркала грунтовых вод называется зоной аэрации, в которой происходит просачивание вод с поверхности. В зоне аэрации на отдельных разобщённых прослоях пород, обладающих меньшей фильтрационной способностью, в период питания грунтовых вод могут образовываться временные, или сезонные, скопления подземных вод, называющиеся верховодкой.

Глубина залегания грунтовых вод зависит от географических условий, закономерно изменяющихся от полюсов к экватору. В Европейской части CCCP средняя глубина зеркала грунтовых вод постепенно увеличивается с севера на юг (в зоне тундр — близ поверхности, в средней полосе — несколько метров, на юге — несколько десятков метров). Нижняя граница грунтовых вод располагается на глубине более 10-12 км. Водоносные горизонты, залегающие ниже грунтовых вод, отделяются от них пластами водонепроницаемых (водоупорных) или слабопроницаемых пород и называются горизонтами межпластовых вод. Они обычно находятся под гидростатическим давлением (артезианские воды), реже имеют свободную поверхность — безнапорные воды. Область питания межпластовых вод находится в местах выхода водовмещающих пород на дневную поверхность (или в местах их неглубокого залегания); питание происходит также и путём перетекания воды из других водоносных горизонтов.

Подземные воды — природные растворы, содержащие свыше 60 химических элементов (в наибольших количествах — К, Na, Ca, Mg, Fe, Cl, S, С, Si, N, О, Н), а также микроорганизмы (окисляющие и восстанавливающие различные вещества). Как правило, подземные воды насыщены газами (CO2, О2, N2, С2H2 и др.). По степени минерализации подземные воды подразделяют (по В. И. Вернадскому) на пресные (до 1 г/л), солоноватые (от 1 до 10 г/л), солёные (от 10 до 50 г/л) и подземные рассолы (свыше 50 г/л); в более поздних классификациях к подземным рассолам относят воды с минерализацией свыше 36 г/л. В зависимости от температуры (°С) различают: переохлаждённые подземные воды (ниже 0), холодные (от 0 до 20), тёплые (от 20 до 37), горячие (от 37 до 50), весьма горячие (от 50 до 100) и перегретые (свыше 100).

По происхождению выделяется несколько типов подземных вод. Инфильтрационные воды образуются благодаря просачиванию с поверхности Земли дождевых, талых и речных вод. По составу они преимущественно гидрокарбонатно-кальциевые и магниевые. При выщелачивании гипсовых пород формируются сульфатно-кальциевые, а при растворении соленосных — хлоридно-натриевые воды. Конденсационные подземные воды образуются в результате конденсации водяных паров в порах или трещинах пород. Седиментационные воды формируются в процессе геологического осадкообразования и обычно представляют собой изменённые захороненные воды морского происхождения (хлоридно-натриевые, хлоридно-кальциево-натриевые и др.). К ним же относятся погребённые рассолы солеродных бассейнов, а также ультрапресные воды песчаных линз в моренных отложениях. Воды, образующиеся из магмы при ее кристаллизации и при метаморфизме горных пород, называются магматогенными или ювенильными водами.

Один из показателей природной обстановки формирования подземных вод — состав растворённых и свободно выделяющихся газов. Для верхних водоносных горизонтов с окислительной обстановкой характерно присутствие кислорода, азота, для нижних частей разреза, где преобладает восстановительная среда, типичны газы биохимического происхождения (сероводород, метан). В очагах интрузий и термометаморфизма распространены воды, насыщенные углекислым газом (углекислые воды Кавказа, Памира, Забайкалья). У кратеров вулканов встречаются кислые сульфатные воды (т.н. фумарольные термы). Во многих водонапорных системах, которыми являются часто крупные артезианские бассейны, выделяют три зоны, различающиеся степенью интенсивности водообмена с поверхностными водами и составом подземных вод. Верхние и краевые части бассейнов заняты обычно инфильтрационными пресными водами зоны активного водообмена (по Н. К. Игнатовичу) или активной циркуляции. В центральных глубоких частях бассейнов выделяется зона весьма замедленного водообмена или застойного режима, где распространены высокоминерализованные воды. В промежуточной зоне относительно замедленного или затруднённого водообмена развиты смешанные воды различного состава.

Многие качественные и количественные показатели параметров подземных вод (уровня, напора, расходов, химического и газового составов, температуры и др.) подвергаются кратковременным, многолетним и вековым изменениям, которые определяют режим подземных вод. Последний отражает процесс формирования подземных вод во времени и на различных территориях под влиянием естественных (климатических, гидрологических, геологических, гидрогеологических) и техногенных факторов. Наибольшие колебания показателей режима происходят при неглубоком залегании подземных вод.

Закономерности распространения подземных вод зависят от многих геологических и физико-географических особенностей территории. В пределах платформ и краевых прогибов развиты артезианские бассейны и склоны (на территории CCCP, например, Западносибирский артезианский бассейн, Московский артезианский бассейн, Прибалтийский артезианский бассейн). На платформах в районах поднятий докембрийского кристаллического фундамента (Украинский щит, Анабарский массив и др.) и в горноскладчатых областях развиты подземные воды трещинного типа. Своеобразные гидрогеологические условия, определяющие характер циркуляции и состав подземных вод, создаются в областях развития многолетнемёрзлых горных пород, где формируются надмерзлотные, межмерзлотные и подмерзлотные воды.

Подземные воды являются полезным ископаемым, запасы которого в отличие от других видов полезных ископаемых возобновимы в процессе эксплуатации. Площади водоносных горизонтов и их комплексов, в пределах которых имеются условия для отбора подземных вод определённого состава, отвечающего установленным кондициям, в количестве, достаточном для экономически целесообразного их использования, называется месторождениями подземных вод. По характеру использования подземные воды в CCCP подразделяются на 4 вида: питьевые и технические, применяемые для хозяйственно-питьевого и производственно-технического водоснабжения, орошения земель и обводнения пастбищ; лечебные минеральные воды, используемые в бальнеологических целях и в качестве столовых напитков; теплоэнергетические (включая пароводяные смеси) — для теплоснабжения промышленных, сельскохозяйственных и гражданских объектов, а в отдельных случаях — и для выработки электроэнергии (см. Геотермальные ресурсы); промышленные воды — для извлечения из них ценных компонентов. В ряде случаев подземные воды одновременно являются минеральными и теплоэнергетическими, промышленными и теплоэнергетическими, в связи с чем они рассматриваются как комплексное полезное ископаемое. Месторождения пресных и солоноватых вод, используемых для хозяйственно-питьевого водоснабжения и орошения, подразделяются на основные типы: месторождения речных долин, артезианских бассейнов, конусов выноса предгорных шлейфов и межгорных впадин, ограниченных по площади структур или массивов трещинных и трещинно-карстовых пород, тектонических нарушений, песчаных массивов пустынь и полупустынь, надморенных и межморенных водоледниковых отложений, областей развития многолетнемёрзлых пород.

При оценке возможности использования подземных вод производится подсчёт эксплуатационных запасов подземных вод. Эти данные используются при разработке схем развития народного хозяйства, составлении годовых, пятилетних и долгосрочных государственных планов экономического и социального развития CCCP, планировании геологоразведочных работ, а по месторождениям — для проектирования водозаборных сооружений и предприятий, добывающих и использующих подземные воды. Различают также прогнозные ресурсы подземных вод, наличие которых предполагается на основе общих гидрогеологических представлений, теоретических предпосылок, результатов геологического и гидрогеологического картирования, геофизических, гидрохимических, гидрологических и воднобалансовых исследований. Они оцениваются в границах артезианских бассейнов, гидрогеологических массивов и районов и отражают их потенциальные эксплуатационные возможности.

Геологоразведочные работы на подземные воды состоят из последовательных стадий: поиски, предварительная, детальная и эксплуатационная разведки, в результате которых с увеличивающейся детальностью определяются эксплуатационные запасы, рассматриваемые и утверждаемые Государственной комиссией по запасам полезных ископаемых при Совете Министров CCCP или территориальными комиссиями по запасам полезных ископаемых подземных вод, обводняющие месторождения твёрдых полезных ископаемых, изучаются в степени, достаточной для обоснования мероприятий по осушению и определения возможности использования их в народном хозяйстве для питьевого и технического водоснабжения, извлечения из них ценных компонентов или для бальнеологических целей. Изучение этой части подземных вод осуществляется в соответствии с инструкциями по применению классификации эксплуатационных запасов и прогнозных ресурсов подземных вод. Дополнительно учитываются решения, определяемые горно-геологическими и горнотехническими условиями разработки месторождений полезных ископаемых: изменение во времени и подвижность в пространстве водоприёмных систем, создание в зоне их влияния хвостохранилищ и водохранилищ, необходимость отвода поверхностных водотоков и бетонирование их русел и др. Для оценки запасов дренажных вод изучают их качество с учётом целевого использования и возможности сохранения стабильности на расчётный период их использования.

На территории CCCP подземные воды эксплуатируются несколькими сотнями тысяч специально оборудованных буровых скважин. При использовании подземных вод постоянно ведётся контроль за качеством воды, осуществляемый санитарно-эпидемиологическими станциями. При этом согласно ГОСТу 2874-82 питьевая вода должна быть безопасна в эпидемиологическом отношении, безвредна по химическому составу и иметь благоприятные органолептические свойства. В связи с интенсивным использованием подземных вод (свыше 70% населения CCCP использует подземные воды, 1985) и их охраной от загрязнения важнейшее значение приобретает оценка фильтрации через слабопроницаемые отложения. Проницаемость глин возрастает с ростом минерализации подземных вод (наибольшая проницаемость в интервале минерализации 5-20 г/л) и увеличением температуры (наиболее интенсивно при температуре от 40-60°С и до 80-90°С). Существенна проницаемость глин и при невысоких температурах пресных подземных вод. Например, исследованиями установлено, что в районе крупных действующих водозаборов Брянска (центральная часть Московского артезианского бассейна) существенную роль в формировании эксплуатационных запасов подземных вод каменноугольных и девонских водоносных горизонтов играет перетекание через неоком-юрскую глинистую толщу (до 56% от суммарного водоотбора).

Подземные воды широко используются при гидромеханизированном способе ведения горных работ, при добыче полезных ископаемых методами подземного выщелачивания, добыче нефти, торфа, управлении горным давлением, при дегазации угольных пластов, пылеподавлении в горных выработках и др. Водонасыщенная толща полезных ископаемых характеризуется более низкими прочностными свойствами, легче поддаётся разрушению без существенного пылеобразования и газовыделения, что облегчает разработку.

Однако часто подземные воды осложняют ведение горных работ, вызывая иногда катастрофические последствия с человеческими жертвами и остановкой горнодобывающих предприятий. Например, при открытом способе разработки увеличение выходных градиентов подземных вод на бортах, сложенных обводнёнными песками, сопровождается развитием суффозионных явлений; на участках песчано-глинистых и полускальных пород — оползневых явлений, обвалов, обрушений, а в местах залегания глинистых пород — пучения. При подземном способе разработки подземные воды проявляются в виде внезапных прорывов воды и плывунов (до нескольких тысяч м3/ч), сопровождающихся затоплением (или заилением) выработок отдельных участков, горизонтов, а в ряде случаев затоплением шахты (особенно в районах карста). Давление подземных вод на вмещающие породы подземных выработок способствует прогибанию и обрушению кровли и пучению почвы, осложняя управление горным давлением. Кроме того, подземные воды увеличивают влажность добываемого полезного ископаемого.

Нарушение естественного режима подземных вод при водозаборе для целей водоснабжения или водопонижения для осушения месторождений полезных ископаемых, а также при строительстве и эксплуатации ряда промышленных и гражданских сооружений (особенно гидротехнических) может вызывать катастрофические явления. Например, интенсивное извлечение подземных вод из песчано-глинистых пород для водоснабжения повлекло за собой уплотнение водовмещающих пород и сильное оседание земной поверхности (районы городов Мехико, Токио, Лондона, Венеции и др.); глубокое водопонижение на обводнённых месторождениях также сопровождается уплотнением водоносных пород, оседанием земной поверхности и деформацией крепи стволов. Ведение горных работ в свою очередь вызывает изменение режима подземных вод на участках оседания земной поверхности при подземной разработке полезных ископаемых с обрушением кровли, что ведёт к заболачиванию территории и нарушению равновесия экосистемы. Размещение террикоников в местах выхода подземных вод способствует подъёму уровня грунтовых вод, снижению несущих свойств пород и развитию оползней, в т.ч. с катастрофическими последствиями.

В системе Министерства геологии CCCP режим подземных вод изучается более чем по 40 000 пунктов опорной наблюдательной сети. Кроме того, наблюдательная сеть имеется в других ведомствах (Министерстве мелиорации и водного хозяйства CCCP, Госкомгидромете CCCP и др.). В опорной наблюдательной сети изучается естественный режим и его нарушения в результате различных инженерных мероприятий, связанных с извлечением воды из водоносного горизонта (осушением месторождений, водозабором, осушительной или оросительной мелиорацией, гидротехническим строительством и др.).

В CCCP разработаны теоретические основы и методы прогноза режима подземных вод, организован выпуск регулярных краткосрочных и долгосрочных гидрогеологических прогнозов. Например, ежегодно выпускаются прогнозы режима подземных вод зоны интенсивного водообмена (предвесеннее минимальное, максимальное и осеннее положение уровня воды). Прогнозы выпускаются в виде карт, на которых показываются изменения уровня подземных вод.

Исследованием подземных вод занимается гидрогеология.