Изучение гидрогеологических и инженерно-геологических условий месторождений твердых полезных ископаемых - Кашковский Г.Н., Вайтекунас К-А.К., Лосев Ф.И.

Автор: Кашковский Г.Н. Вайтекунас К-А.К. Лосев Ф.И.
Теги: прикладная геология и геофизика геологические методы поисков и разведки интерпретация результатов геология гидрогеология полезные ископаемые
Год: 1986
Похожие
Поиски и разведка месторождений полезных ископаемых
Основы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых
Методическое руководство по оценке прогнозных ресурсов твердых полезных ископаемых. Часть 3
Текст
                    ИЗУЧЕНИЕ
ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ
И ИНЖЕНЕРНО-
ГЕОЛОГИЧЕСКИХ
УСЛОВИЙ
миниспрсшгшоеииссср
ВСЕСЯЮЗНЫИ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ
ТЮТГТШГИИ И ИНЖЕНЕРНОЙ ПМОГИИ • ВСЕГИНГЕО /
ИЗУЧЕНИЕ
ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ
И ИНЖЕНЕРНО-
ГЕОЛОГИЧЕСКИХ
УСЛОВИЙ
МЕСТОРОЖДЕНИЙ
ТВЕРДЫХ
ПОЛЕЗНЫХ
ИСКОПАЕМЫХ
-М МОША «НЕДРА» 1986
УДК [556.31624.131.1] : [558:550.812.2]
Изучение гидрогеологических и инженерно-геологических условий месторожде-
ний твердых полезных ископаемых. — М.: Недра, 1986. — 172 с., с ил. (ВСЕГИНГЕО).
Освещены задачи и методы комплексного изучения и прогнозов гидрогеологи-
ческих и инженерно-геологических условий месторождений твердых полезных иско-
паемых при их разведке с учетом решения вопросов охраны окружающей среды. Рас-
смотрены содержание и частично объемы работ на основных стадиях поисков и раз-
ведки месторождений различных типов применительно к предложенной единой гид-
рогеологической и инженерно-геологической типизации месторождений.
Для специалистов, занимающихся гидрогеологическими и инженерно-геологи-
ческими исследованиями при разведке месторождений твердых полезных ископае-
мых.
Табл. 4, ил. 1 0, список лит. — 50 назв.
Редакционная коллегия
Т.Н. Кашковский (ответственный редактор), К’А.К. Вайтекунас (зам. отв.
редактора), Ф.И. Лосев (зам. отв. редактора), Л.А. Соколовская, В.В. Фромм,
Б,В. Смирнов, А.В. Агринский, Е.П. Писанец, И.И. Рогинец, Т.Н. Корнилова (секре-
тарь)
Выпущено по заказу Всесоюзного научно-исследовательского института гидро
геологии и инженерной геологии
1904060000 - 279
043(01) -86
Заказное
©Всесоюзный научно-иссле-
довательский институт
гидрогеологии и инженер-
ной геологии (ВСЕГИНГЕО)
1986
ПРЕДИСЛОВИЕ
В связи с развитием геологоразведочных работ на твердые полезные
ископаемые в новых районах и на больших глубинах принятыми новыми
законодательными положениями о недрах, охране окружающей среды и
водных ресурсов повышаются требования к изучению и прогнозным оцен-
кам гидрогеологических и инженерно-геологических условий месторожде-
ний. Возрастание значимости гидрогеологических и инженерно-геологичес-
ких исследований, как части геологоразведочных работ, и расширение их
задач отражены в Классификации запасов месторождений и прогнозных
ресурсов твердых полезных ископаемых.
Согласно классификации, требуется полная изученность месторожде-
ния, в том числе его гидрогеологических, инженерно-геологических и
геокриологических условий, позволяющая установить возможность про-
ектирования горнодобывающего предприятия. По результатам детальной
разведки указанные условия должны быть изучены с полнотой, обеспечи-
вающей получение исходной информации, необходимой для составления
проекта разработки месторождения с учетом природоохранных мероприя-
тий.
В предлагаемой работе конкретизированы и сформулированы совре-
менные требования к изучению гидрогеологических и инженерно-геологи-
ческих условий месторождений применительно к основным стадиям гео-
логоразведочных работ, установленным методическими указаниями (ут-
вержденными в 1984 г.) о порядке проведения геологоразведочных работ
на твердые полезные ископаемые по стадиям.
На основе разработанной единой гидрогеологической и инженерно-
геологической типизации месторождений твердых полезных ископаемых
даны рекомендации по содержанию и частично по объемам работ на основ-
ных стадиях поисков и разведки месторождений различных типов, подраз-
деленных по степени сложности их изучения, а также краткие рекоменда-
ции по обработке материалов и содержанию отчета в соответствии с ин-
струкцией ГКЗ СССР.
Гидрогеологическое и инженерно-геологическое изучение месторожде-
ний при разведке рассматривается в работе как единый комплекс иссле-
дований, что позволяет повысить информативность и экономичность
проводимых работ.
В основу книги положены опыт исследований, накопленный многими
производственными геологическими организациями в процессе разведки
месторождений, результаты теоретических и научно-методических разра-
боток и изучения горнорудных районов и угольных бассейнов, выполнен-
ных ВСЕГИНГЕО, другими научно-исследовательскими организациями и
вузами.
По рекомендации Управления гидрогеологических работ Мингео СССР
работа может быть использована в качестве методического руководства.
3
Г лава 1
ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ИЗУЧЕНИЮ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ
И ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
Гидрогеологическое, инженерно-геологическое и геокриологическое
изучение месторождений является составной частью геологопоисковых и
геологоразведочных работ и должно проводиться одновременно с ними
в соответствии с основными их стадиями [18, 20, 21]. Изучение гидрогео-
логических, инженерно-геологических и геокриологических условий дол-
жно осуществляться также одновременно и комплексно с учетом влияния
этих условий на процессы, развивающиеся при освоении месторождений.
Такой подход дает возможность максимально использовать геологоразве-
дочные скважины и горные выработки для гидрогеологических, инженер-
но-геологических и геокриологических исследований и повышения их
информативности.
Исследования проводятся в пределах разведуемого месторождения
(или его части) и прилегающей территории, которая по развитию совре-
менных геологических явлений, геологическому строению, геоморфоло-
гии, тектонике, гидрогеологическим, инженерно-геологическим и гео-
криологическим особенностям определяет, с одной стороны, условия ос-
воения месторождения, с другой — может оказаться в сфере влияния
будущего горнодобывающего предприятия.
Гидрогеологическое * изучение проводится в зоне возможного дрени-
рующего влияния водоотлива и осушительных систем с учетом характера
границ основных водоносных горизонтов. Инженерно-геологическое* изу-
чение месторождения, разрабатываемого открытым способом, произ-
водится на площади, в пределах которой возможно сдвижение бортов
карьеров. Границы изучения выходят за контур разведуемых запасов и
зависят от глубины намечаемого карьера и ориентировочного угла накло-
на его бортов. При подземном способе разработки месторождения грани-
цы изучения определяются разведуемой площадью и величинами углов
сдвижения пород над выработанным пространством, характерными для
данного месторождения или бассейна.
Все виды работ выполняются с облюдением необходимых требований
и обязательным проведением мероприятий по охране окружающей среды
и подземных вод [6]. Проведенные исследования должны обеспечивать
полноту и достоверность полученной информации и позволять решать
основные задачи исследований с детальностью, необходимой для соответ-
ствующей стадии геологоразведочных работ [11, 17, 27, 44].
Основными общими задачами являются:
изучение физико-географических, гидрогеологических и инженерно-
геологических (инженерно-геокриологических) условий месторождения
и прилегающей к нему территории;
*3десь и далее для районов криолитозоны — соответственно мерзлотно-гидро-
геологическое и инженерно-геокриологическое изучение (работы).
4
прогноз гидрогеологических и инженерно-геологических условий раз-
работки месторождения (особенностей обводнения горных выработок,
общего водопритока в систему горных выработок, химического состава
и агрессивности шахтных, карьерных и рудничных вод, устойчивости гор-
ных пород в карьерах и в подземных выработках, характера инженерно-
геологических явлений в горных выработках и на дневной поверхности) ;
прогноз влияния будущего горнодобывающего предприятия, прежде
всего горных и добычных работ, осушительных мероприятий, сброса
дренажных вод, складирования отвалов, твердых и жидких отходов обо-
гащения на окружающую среду (оценка развития депрессионной воронки,
характера нарушенного режима уровней подземных вод, загрязнения и
истощения подземных и поверхностных вод и в целом изменения гидро-
геологических условий в районе, изменения состояния массива горных по-
род и дневной поверхности земли, развития инженерно-геологических
явлений на изучаемой территории); оценка последствий этого влияния;
обоснование рекомендаций по снижению водопритоков в горные
выработки и осушению месторождений, борьбе с агрессивными свойства-
ми вод и повышению устойчивости пород в горных выработках, изыска-
нию источников хозяйственно-питьевого и технического водоснабжения,
рациональному использованию дренажных вод, охране (рациональному
использованию) окружающей среды (предупреждение истощения и за-
грязнения подземных и поверхностных вод, снижению интенсивности
инженерно-геологических явлений и влияния на водозаборы подземных
вод) ;
определение необходимости проведения (в увязанные с разведкой
месторождения сроки) исследований по специальным программам и про-
ектам для обоснования сброса технических вод в речнцю сеть, захоронения
в глубокие горизонты или обратной закачки дренажных вод, эксплуата-
ционных запасов дренажных вод для централизованного хозяйственно-
питьевого водоснабжения и других целей.
На поисковых стадиях [геологосъемочные работы (масштаба
1:50 000 или 1:25 000) с общими поисками, поисковые и поисково-
оценочные работы] геологоразведочных работ требуется ориентировочно
характеризовать гидрогеологические и инженерно-геологические условия
района предполагаемых месторождений. Основой для этого служат
результаты геологосъемочных работ, геофизических исследований, ин-
формация по картировочным и глубоким геологическим скважинам, по
которым выборочно проводятся гидрогеологические и режимные наблю-
дения за подземными водами (уровни, расходы, химический состав, тем-
пература) . Используются также гидрогеологические карты, входящие в
комплект Государственной геологической карты масштаба 1:50 000. В
слабо изученных районах основные водоносные горизонты опробуются
несколькими пробными откачками.
Данные, полученные на поисковых стадиях, используются при состав-
лении технико-экономических соображений (ТЭС) о перспективах выяв-
ленного месторождения. В них оценивается необходимость и возможность
его освоения, намечаются основные направления дальнейших исследова-
5
ний и обосновывается проект гидрогеологических и инженерно-геологи-
ческих работ на стадии предварительной разведки месторождения. Оценка
выполняется с использованием информации по аналогии с месторожде-
ниями, ранее освоенными в данном регионе.
На стадии предварительной разведки изучаются гидрогеологичес-
кие и инженерно-геологические условия как самих месторождений, так
и их районов, а также основные природные факторы, осложняющие освое-
ние и эксплуатацию месторождений. Условия и факторы должны быть изу-
чены с полнотой, позволяющей качественно и количественно охарактери-
зовать их основные показатели и влияние на вскрытие и отработку
месторождения.
По результатам проведенных работ и на основе фондовых мате-
риалов и соответствующей литературы дается характеристика: фи-
зико-географических условий территории (рельеф, климат, гидро-
графия) ; геологического строения, тектоники района и месторож-
дения; массивов горных пород месторождения (петрографические
типы пород, этажность массива, условия залегания полезного ископаемого
и вмещающих пород, тектонич-еские нарушения, трещиноватость и слоис-
тость пород); толщ мерзлых пород (распространение, мощность, льдис-
тость и текстура пород, размеры и формы залежей подземного льда, го-
дичный температурный режим), слоя сезонного промерзания и протаива-
ния, глубина слоя постоянных температур с предварительной оценкой
состояния пород после протаивания; основных водоносных горизонтов
и водоупорных толщ, их литологический состав и распространение, усло-
вий питания и разгрузки подземных вод, степень взаимосвязи горизонтов
между собой, с реками и водоемами, гидрогеологические параметры
(мощность, коэффициенты фильтрации, водопроводимости, пьезопровод-
ности, уровнепроводности, перетекания, сопротивления русловых отложе-
ний и др.); физико-механических свойств основных типов горных пород
разреза, главным образом полезного ископаемого и вмещающих пород;
химического, бактериологического и газового состава подземных и
поверхностных вод района месторождений, их агрессивных свойств по
отношению к бетону, металлам; режима подземных вод (уровней, расхо-
дов, температуры, химического и газового состава); современных геоло-
гических, инженерно-геологических и криогенных процессов; основных
природных факторов, осложняющих условия освоения и эксплуатации
месторождения; опыта освоения и эксплуатации полезных иско-
паемых на близрасположенных шахтах, карьерах, рудниках, нахо-
дящихся в примерно аналогичной природной обстановке; общих
гидрогеологических и инженерно-геологических условий наземного строи-
тельства; возможности использования подземных вод для хозяйственно-
питьевого и технического водоснабжения. Затем месторождения делят
на крупные участки, характеризующиеся различными гидрогеологичес-
кими и инженерно-геологическими условиями освоения месторождения.
Далее даются гидрогеологические и инженерно-геологические прогнозы
(включая оценку влияния на окружающую среду) и предварительные ре-
комендации по освоению месторождения (способы отработки и осушения,
защитные мероприятия) и охране геологической среды в соответствии с
основными общими задачами исследований при разведке месторождений.
Определяется необходимость в постановке исследований по отдельным
проектам с целью решения вопросов водоснабжения и охраны окружаю-
щей среды.
Материалы предварительной разведки должны обеспечить составление
соответствующих разделов временных кондиций и технико-экономичес-
кого доклада (ТЭД) о целесообразности проведения детальной разведки
месторождения и составление проекта гидрогеологических и инженерно-
геологических работ на этой стадии.
На стадии детальной разведки гидрогеологические и инженерно-
геологические условия должны быть изучены с детальностью, обеспечи-
вающей получение исходных данных для составления проекта разработки
месторождения.
Гидрогеологические и инженерно-геологические работы на стадии
детальной разведки увязываются с основными положениями ТЭД в части
вскрытия, отработки и осушения месторождения, расположения основных
горно-строительных объектов. Работы с наибольшей детальностью прово-
дятся на первоочередных участках освоения месторождения: разрезных
траншеях, участках водопонизительных систем, рудничных дворах и отра-
ботки первой очереди.
На этой стадии определение количественных показателей проводится
с применением наиболее информативных методов и обосновываются рас-
четные показатели свойств пород и параметров водоносных горизонтов.
Для изучения наиболее сложных условий месторождений, которые
невозможно достоверно изучить методами геологоразведочных работ,
проводятся дополнительные исследования по специальным программам
или опытно-промышленные работы на первом этапе освоения месторож-
дения (например, опытное или опытно-промышленное водопонижение,
опытная проходка выработок вблизи и под водными объектами на участ-
ках сильно раздробленных водообильных пород).
Даются прогнозы гидрогеологических и инженерно-геологических
условий разработки месторождения и их влияние на массивы горных
пород, подземные и поверхностные воды и т.д. Обосновываются меро-
приятия, обеспечивающие благоприятное ведение горных работ и защиту
окружающей среды.
К сроку завершения детальной разведки должны заканчиваться также
специальные исследования, выполняемые по самостоятельным проектам,
необходимость которых была установлена по результатам предваритель-
ной разведки.
По результатам работ детальной разведки и ранее полученным матери-
алам должны быть даны:
характеристика физико-географических условий, геологического
строения, тектоники района и месторождения; количественная характе-
ристика гидрогеологических условий района и месторождения, поверх-
ностных водотоков и водоемов, включая техногенные (распространение,
глубины залегания, литологический состав, гидрогеологические парамет-
7
ры, питание и разгрузка водоносных горизонтов и зон, гидравлическая
связь); водоупорных толщ; химического, микрокомпонентного, газово-
го, бактериологического состава вод, их агрессивных свойств; площадной
и вертикальной гидрохимической зональности; изменчивости фильтра-
ционных свойств водоносных горизонтов и толщ по простиранию и в раз-
резе; многолегнего режима подземных и поверхностных вод, влияния на
него метеорологических и техногенных факторов;
инженерно-геологическая характеристика района и месторождения
(распространенность основных петрографических типов пород; соотноше-
ние тел полезных ископаемых с вмещающими породами; количественная
характеристика трещиноватости, расслоения, анизотропии пород, зон
дробления и ослабления, закарстованности, физико-механических свойств
пород и разрабатываемости; рекомендации по выбору расчетных показа-
телей) ;
характеристика распространения толщи многолетнемерзлых пород,
их льдистости и температур, размеров и строения залежей подземного
льда, годичного температурного режима пород верхнего яруса месторож-
дения и температуры пород на типичных участках по всей глубине мерз-
лой толщи, толщины слоя сезонного промерзания и протаивания, проявле-
ния криогенных и инженерно-геокриологических процессов;
величины прогнозных водопритоков в горные выработки, прогноз
характера обводненности горных выработок и возможные осложнения
при ведении горных работ, оценка степени участия в обводнении вырабо-
ток основных водоносных горизонтов и поверхностных вод, рекоменда-
ции по защите горных разработок от притоков воды и по водопонижению
на месторождении;
инженерно-геологическое прогнозное районирование месторождения
с выделением категорий или классов пород различной устойчивости при
горных работах; прогнозная оценка изменения состояния и физико-
механических свойств пород в процессе вскрытия и эксплуатации место-
рождения и возникновения неблагоприятных инженерно-геологических
явлений (оползни, обрушения, горные удары, выбросы, пучение, провалы,
карстовые воронки, оседание поверхности); рекомендации по защитным
мероприятиям, направленным на повышение устойчивости пород в бортах
карьеров и в подземных горных выработках;
прогнозная оценка возможных изменений гидрогеологических и инже-
нерно-геологических условий природной среды на месторождении и в
районе в результате действия горнодобывающего предприятия, оценка
степени влияния на водозаборы подземных вод, рекомендации по предот-
вращению или снижению негативных изменений, по охране подземных вод
от истощения и загрязнения, по общим природоохранным мероприятиям;
рекомендации по гидрогеологическим и инженерно-геологическим
наблюдениям и исследованиям при строительстве и эксплуатации горно-
добывающего предприятия, по организации сети скважин и пунктов ста-
ционарных режимных наблюдений, увязанных с региональной наблюда-
тельной сетью;
8
гидрогеологическая и инженерно-геологическая характеристика терри-
харакчеристика возможных источников хозяйственно-питьевого и тех-
нического водоснабжения, предложения по разведке месторождений под-
земных вод, оценка возможности использования дренажных вод для раз-
личных целей и рекомендации по оценке их эксплуатационных запасов;
рекомендации по очистке дренажных, шахтных (рудничных) вод,
по их сбросу в гидрографическую сеть; гидрогеологическая характеристи-
ка участков имеющихся и проектируемых источников загрязнения под-
земных и поверхностных вод — отвалов, хвостохранилищ, прудов-отстой-
ников, гидроотвалов; миграционные параметры водоносных горизонтов
на этих участках;
сведения о ликвидационном тампонаже пробуренных скважин, о сква-
жинах, передаваемых для эксплуатации и наблюдений организации, осваи-
вающей месторождения с целью обеспечения преемственности в проведе-
нии режимных наблюдений;
краткие фактические сведения о месторождении-аналоге по всему
комплексу указанных выше вопросов.
На стадии доразведки геологоразведочные работы могут выпол-
няться на ранее детально разведанных, но не освоенных еще промышлен-
ностью месторождениях и на разрабатываемых месторождениях.
В первом случае гидрогеологическое и инженерно-геологическое до-
изучение месторождений проводится при несоответствии ранее выполнен-
ных исследований требованиям Классификации запасов месторождений
и прогнозных ресурсов твердых полезных ископаемых и требованиям,
изложенным выше, применительно к детальной разведке. При постановке
работ должны быть учтены и замечания ГКЗ СССР (ТКЗ), сделанные при
рассмотрении материалов ранее проведенной детальной разведки.
Доизучение может потребоваться также в связи с пересмотром наме-
чавшихся масштабов и технологии добычи, способов вскрытия и осуше-
ния месторождения, природоохранных мероприятий. Ставящиеся при
этом гидрогеологические и инженерно-геологические работы должны
обеспечить уточнение имеющихся или получение дополнительных матери-
алов, необходимость в которых возникла вследствие указанного пере-
смотра технических решений. В целом материалы должны быть достаточ-
ными для проектирования.
Во втором случае, в связи с доразведкой разрабатываемых месторож-
дений, уточняются недостаточно детально изученные гидрогеологические
и инженерно-геологические условия флангов, более глубоких горизонтов
месторождения, обособленных тел полезных ископаемых в увязке с пла-
нами развития осушительных и горных работ и с учетом степени отличия
их природных условий от освоенной части месторождения. Материалы до-
изучения должны отвечать требованиям, предъявляемым к изученности на
стадии детальной разведки, а также учитываются рекомендации ГКЗ
СССР (ТКЗ) . В целях наибольшего сокращения объемов работ по доизу-
чению и повышения достоверности прогнозных оценок условий эксплуа-
тации доизучаемых участков необходимо максимально использовать дан-
9
ные опыта разработки освоенной части месторождения, ее обследования
и стационарных режимных наблюдений.
На стадии эксплуатационной разведки гидрогеологическое и
инженерно-геологическое изучение осуществляется в течение всего пери-
ода разработки месторождения и является частью работ, обеспечивающих
нормальные условия деятельности горнодобывающего предприятия.
Изучение проводится для систематического получения информации, необ-
ходимой для текущего и оперативного планирования дренажных работ,
мероприятий по повышению устойчивости горных пород в выработках,
безопасного ведения горных и других работ.
Исследования на данной стадии выполняются в основном в зоне веде-
ния горных работ, опережая горно-подготовительные работы. Они должны
уточнять гидрогеологические и инженерно-геологические условия ведения
горных работ при приближении горных выработок к водоносным плас-
там, погребенным депрессиям, зонам, карстовым полостям; водотокам
и водоемам; затопленным горным выработкам, плывунам, ослабленным
зонам пород, участкам активного проявления горно-геологических явле-
ний и т.п.
Глава 2
ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКАЯ И ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ
ТИПИЗАЦИЯ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
Объектом гидрогеологических и инженерно-геологических исследова-
ний при разведке месторождений являются массивы пород и приурочен-
ные к ним подземные воды. Поэтому в основу типизации положена при-
надлежность месторождения к определенному массиву пород [35]. В
качестве массива пород рассматривается структурно обособленный учас-
ток земной коры, вмещающий полезное ископаемое и характеризующий-
ся определенным составом, строением, состоянием горных пород и разви-
тием подземных вод, приуроченных к водоносным комплексам, горизон-
там и зонам.
Массивы пород разнообразны. Вместе с тем типизацию приуроченных
к ним месторождений, предназначенную для обоснования постановки гид-
рогеологических и инженерно-геологических работ, следует ограничить
выделением минимального количества типов месторождений, принци-
пиально отличных друг от друга. Поскольку формирование гидрогеологи-
ческих и инженерно-геологических условий месторождений обусловлено
всем ходом геолого-исторического развития вмещающих их участков зем-
ной коры, то разработанная в указанных целях типизация построена на
геолого-структурной основе.
В соответствии с двумя основными геоструктурными элементами зем-
ной коры (платформы и геосинклинали) выделяются месторождения в
платформенных и геосинклинальных (горно-складчатых) массивах пород.
10
Месторождения переходных геоструктурных областей относятся в зави-
симости от дислоцированное™ и метаморфизованности пород к первой
или второй группе месторождений.
В типизации учитывается наличие основных структурных этажей [35],
строение разреза, инженерно-геологический тип слагающих пород — не-
связные, связные, полускальные и скальные, степень их дислоцированное-
ти и вторичных изменений, определяющих физико-механические и филь-
трационные свойства пород и состояние массива, развитие различных ви-
дов подземных вод. Для платформенных массивов характерны два струк-
турных этажа. Нижний этаж представлен складчатым фундаментом. Он
сложен первичноосадочными и магматическими породами, интенсивно
дислоцированными и метаморфизованными. Верхний структурный этаж
представляет собой чехол покровных отложений, который сложен разно-
образными инженерно-геологическими типами осадочных пород, залегаю-
щих без значительных тектонических нарушений. Существенные магмати-
ческие образования отсутствуют, за исключением эффузивных покровов
типа сибирских траппов. Крупными элементами платформ являются щи-
ты; в пределах которых породы фундамента выходят на поверхность.
С распространением в платформенном чехле выдержанных чередую-
щихся пластов осадочных пород связано развитие мощных пластовых
этажнорасположенных водоносных горизонтов, разделенных слабопрони-
цаемыми пластами и имеющих в основном напорный характер. В скаль-
ных породах складчатого фундамента и щитов подземные воды имеют
распространение в верхней зоне региональной трещиноватости и в зонах
разломов.
В геосинклинальных (горно-складчатых) массивах также прослежи-
вается структурная этажность. Нижний этаж, образовавшийся на началь-
ных стадиях формирования горно-складчатых областей, представлен
главным образом вулканогенно-осадочными породами. В средних этажах
распространены сланцеватые, песчаниковые и карбонатные толщи, прор-
ванные магматическими породами. Верхний структурный этаж сложен
мощными циклично переслаивающимися толщами преимущественно пес-
чано-глинистых образований. Для горно-складчатых массивов большей
частью характерны породы скального типа, высокая степень метаморфиза-
ции, интенсивная складчатость пород и проявление разрывной тектоники.
В строении горно-складчатых массивов резко проявляется региональ-
ная зональность, выражающая в развитии срединных горных структур,
внутренних синклинориев и мульд, межгорных впадин, краевых прогибов
(переходная зона). Условия распространения подземных вод в этих мас-
сивах пород разнообразны. Здесь имеют развитие бассейны и массивы тре-
щинных вод, артезианские бассейны, водоносные зоны разломов, артези-
анские склоны (в краевых прогибах). Специфическими чертами характери-
зуется водоносность сильно закарстованных карбонатных и гипсоносных
толщ, образующих горизонты и бассейны трещинно-карстовых вод.
С учетом геолого-структурных этажей, региональной зональности,
инженерно-геологических характеристик и гидрогеологических условий
массивов пород выделяется шесть типов месторождений.
11
I.	Месторождения в массивах переслаивающихся осадочных (несвя-
зных, связных, полускальных) пород чехла платформ с водоносными
горизонтами порово- и трещинно-пластовых вод.
II.	Месторождения в массивах магматических и метаморфических
(преимущественно скальных) пород складчатого фундамента платформы,
перекрытого осадочным чехлом, с водоносными горизонтами пластовых
вод в чехле и с трещинными водами в верхней части фундамента.
III.	Месторождения в массивах магматических и метаморфических
(преимущественно скальных) пород щитов с трещинными и трещинно-
жильными водами (в верхней части щита и зонах разломов).
IV.	Месторождения в массивах вулканогенно-осадочных, метаморфи-
ческих и нотифицированных осадочных (скальных и полускальных) по-
род, прорванных магматическими телами, молодых и древних горно-
складчатых областей с трещинными, трещинно-пластовыми и жильными
водами.
V.	Месторождения в массивах ритмично переслаивающихся литифици-
рованных (полускальных и скальных) пород краевых прогибов, межгор-
ных депрессий, мульд с водоносными горизонтами трещинных и трещин-
но-пластовых вод.
VI.	Месторождения в массивах преимущественно закарстованных
карбонатных скальных пород горно-складчатых областей и краевых про-
гибов с водоносными горизонтами или бассейнами трещинно-карстовых
вод.
Принадлежность месторождений к тому или иному типу отражает ос-
новые черты их гидрогеологических и инженерно-геологических условий,
определяющих методический подход к постановке исследований в процес-
се разведки. При этом следует учитывать, что месторождения, относящие-
ся к одному и тому же типу, могут характеризоваться различной степенью
сложности их изучения. Это зависит от природных факторов, которые мо-
гут проявляться на месторождении вне связи с его принадлежностью к
конкретному типу. Такими факторами могут быть наличие реки, круп-
ного водоема, развитие мощных водоносных аллювиальных отложений,
толщ рыхлообломочных образований, кор выветривания, островных толщ
мерзлых пород с температурой выше —3 °C, региональных зон разломов,
высокоминерализованных и газированных подземных вод, глубокое
залегание полезного ископаемого (свыше 1200—1500 м), напряженное
состояние пород, также значительные разнообразие и изменчивость соста-
ва и свойств пород, интенсивная тектоническая нарушенность, трещинова-
тость, закарстованность пород, большая изменчивость гидрогеологических
параметров и высокая водообильность водоносных горизонтов.
Учитывая эти обстоятельства, месторождения различных выделенных
типов целесообразно подразделять по степени сложности их изучения на
простые, средней сложности, сложные и особо сложные.
Простые месторождения сложены преимущественно породами с вы-
держанным литологическим составом, фильтрационными и физико-меха-
ническими свойствами (коэффициент вариации 20—25 %), имеют простую
морфологию залежей полезных ископаемых и несложное тектоническое
12
строение, залегают на малых глубинах (первые десятки метров), выше
местного базиса эрозии, в толщах мерзлых пород сплошного распростра-
нения с температурой ниже —3 °C.
Месторождения средней сложности характеризуются развитием пород
большей частью с умеренно изменчивым литологическим составом, филь-
трационными и физико-механическими свойствами (коэффициент вариа-
ции 25—35 %), с усложненными морфологией залежей полезных ископае-
мых и тектоническим строением, а также проявлением отдельных из ука-
занных выше факторов, лишь в некоторой мере усложняющих природные
условия месторождений и их изучение.
Сложные месторождения отличаются значительной изменчивостью ли-
тологического состава, фильтрационных и физико-механических свойств
пород (коэффициент вариации свыше 35 %), сложными морфологией
залежей полезных ископаемых и тектоническим строением. Для них
характерно проявление нескольких или одного-двух, но наиболее слож-
ных из указанных выше факторов.
К особо сложным месторождениям относятся месторождения с исклю-
чительными сочетаниями осложняющих факторов. Например, месторожде-
ния с залежами полезных ископаемых в трещиноватых раздробленных
или закарстованных породах под руслами крупных рек, дном озер и мо-
рей; на больших глубинах в сильно напряженных толщах горных пород;
среди глубоких структурных водоносных горизонтов с рассолами, содер-
жащими токсичные растворенные газы; на больших глубинах в весьма
обводненных неоднородных карбонатных породах карстовых районов
и др.
Г лава 3
МЕТОДЫ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ И ИНЖЕНЕРНО-
ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ПРОГНОЗОВ
МЕТОДЫ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ ПРОГНОЗОВ
Прогнозы выполняются для оценки условий эксплуатации месторож-
дений и ее возможного воздействия на окружающую среду на основе ре-
зультатов исследований, проводимых на основных стадиях разведки.
Гидрогеологические прогнозы выполняются для определения водопри-
токов в горные выработки, оценки развития депрессионных воронок и
химического состава отбираемых горными выработками вод.
По материалам разведочных работ дается прогноз общего водо-
притока в горные выработки проектируемого рудника, шахты или карь-
ера на момент, когда горное предприятие достигнет проектной производи-
тельности по добыче полезного ископаемого, иногда на момент достиже-
ния максимальной глубины разработки месторождения. Эти периоды
выбираются по согласованию с проектными организациями.
При прогнозировании различают три вида общих водопритоков в гор-
13
ные выработки: 1) средний водоприток, представляющий собой суммар-
ный, например среднегодовой, приток воды в собственно горные выра-
ботки с их дренажными устройствами и к системе внешних водопонизи-
тельных установок. Прогноз используется для оценки эксплуатационных
затрат на дренаж и водоотлив; 2) максимальный водоприток, определяе-
мый на период экстремальных условий, например на период таяния сне-
гов, паводка, ливневых осадков. Прогноз используется для проектирова-
ния объемов водосборников и производительности насосного оборудова-
ния, необходимых для обеспечения защиты горного предприятия от затоп-
ления; 3) минимальный водоприток (примерно 95 % обеспеченности),
определяемый применительно к меженным условиям, т.е. к условиям
отсутствия питания, и минимальным положениям уровней подземных вод.
Прогноз используется для оценки возможности организации водоснабже-
ния за счет дренажных вод или при подсчете количества попутных полез-
ных компонентов, которые целесообразно извлекать из дренажных вод.
Применяются несколько методов определения прогнозных водоприто-
ков: гидродинамический, подразделяемый на аналитический и моделиро-
вание; балансовый, гидравлический, гидрогеологических аналогий и ре-
же—методы математической статистики [44, 45] .
Аналитический метод основан на решении уравнений фильтрации под-
земных вод при различных начальных и граничных условиях. Имеется
значительное число решений, позволяющих определять водопритоки в
горные выработки и развитие вокруг них депрессионных воронок — в
плане или в разрезе. Решений для трехмерных потоков, которые наиболее
реально отражают условия осушения месторождений, практически не име-
ется.
Поскольку многие решения получены для абстрагированных схем,
оценку водопритоков следует осуществлять для нескольких вариантов
расчетных схем, наиболее близко отображающих природные условия.
Если варианты дают значения водопритоков, расходящиеся между собой
примерно на 50 %, то они приемлемы. При больших величинах расхожде-
ний аналитические методы непригодны и необходимо прибегать к приме-
нению более сложного метода моделирования или комплекса различных
методов.
При изменчивости величин гидрогеологических параметров сравни-
тельно в небольших пределах (десятки процентов) в расчетах используют-
ся их средние арифметические или средние взвешенные значения. При
большей изменчивости параметров аналитический метод не обеспечивает
достоверных результатов расчетов. Они должны уточняться другими ме-
тодами.
Применяя для расчетов водопритоков в горные выработки формулы
динамики подземных вод, следует иметь в виду, что в самих горных вы-
работах имеет место граничное условие изменения уровня во времени
и что площади горных разработок, заменяемые „большим колодцем",
могут иметь весьма большие размеры. Нередко в практике осушения
месторождений избыточный напор над горными выработками снимается
в результате предварительного водопонижения скважинами, после этого
14
проводится дополнительное осушение водоносной толщи из специальных
дренажных или подготовительных горных выработок с помощью системы
дренажных устройств (опережающие скважины, забивные фильтры, раз-
грузочные скважины в подошве, сквозные фильтры и т.д.).
Если водоносный горизонт безнапорный, то расчет притока воды к
„большому колодцу0 производится по формуле
Q = Tikh2 G ( уг— ) ,
' к
где Q — водоприток в горные вырабоки, переменный во времени; к —
коэффициент фильтрации; а — коэффициент уровнепроводности; h —
столб воды водоносного горизонта; t — время осушения; гк — радиус
большого колодца; G (-?-)	- табулированнная функция (см. прил. 1)
При —— > 500 эта формула становится аналогичной формуле Тейса
г к
(в виде логарифмической зависимости)
Q 2,73 kh 2
lg 2,25 ут-
к
Если водоносный горизонт обладает значительным напором над кров-
лей, то общий водоприток рассчитывается по формуле, учитывающей
одновременно снижение напора водопонизительными скважинами, работа-
ющими с постоянным дебитом, и осушение водоносного горизонта гор-
ными выработками, на которых выдерживается условие постоянства
уровня:
(1)
где Не — напор, отсчитываемый от подошвы водоносного горизонта;
т — мощность водоносного горизонта; рв — радиус кольца водопонижаю-
щих скважин; рк — радиус „большого колодца0, равновеликого площади
горных выработок при достижении рудником проектной производитель-
ности; а* — коэффициент пьезопроводности; а — коэффициент уровне-
проводности; Тв — время снижения пьезометрического напора до кровли
водоносного горизонта; Т — время от начала осушения горными работами
до достижения рудником проектной производительности; Ef- — специаль-
ная функция [45] .
Когда на месторождении разрабатываются разновременно два участка
с породами разной водопроводимости, каждый под защитой своего коль-
ца водопонижающих
Щим зависимостям:
скважин, то водопритоки определяются по следую-
Qi = Дя"
kimi2
~7~g <
15
{Н - т ) krri
еср СР СР
где кх т{ к2 т2 и ^тСр~~ коэффициенты водопроводимости первого и
второго участков и средний; 1\,Т2 — время от начала осушения горными
работами до достижения проектной производительности; р2 — радиу-
сы „большого колодца" первого и второго участков; 7" , Тв^ — время
работы систем осушения первого и второго участка; а* - коэффициент
пьезопроводности общий для двух участков; D — расстояние между участ-
ками.
Водопритоки к открытым горным выработкам, находящимся под за-
щитой водопонизительных скважин, определяют по зависимостям, изло-
женным выше.
Расчет водопритока в карьер при напорно-безнапорном движении
определяется по приближенным формулам:
7Т/с (2Нem - т2 -h2)
Q —----------------------- ,	(2)
In Р
где h о — величина остаточного столба воды или участка высачивания в
карьере; Р —	“ приведенная величина радиуса влияния; R — ра-
диус влияния в^ напорной зоне; р — радиус колодца, равновеликого
площади карьера.
Величина Р находится методом подбора из уравнения
4а* Т	оо (21пР)п	'S р)П
------= /’ + |(5 - И	-------<0-11	-------И,
где t — время, отсчитываемое от момента снижения столба воды в карьере
до величины _ —М— — соотношение коэффициентов свободной и
упругой водоотдачи;
_	2 (т2 -h2)__________
2 Н^п — т2 — /?02
16
,	°? lamp)"
f(a, Р} = 2 —— - величина,
зависящая от а и Р, определяется по
графику (рис. 1).
Для определения водопритока
на несколько моментов времени
строится вспомогательный график
р = fft) и затем по формуле (2)
подсчитываются водопритоки.
Водоприток к моменту сниже-
ния уровня подземных вод до
кровли водоносного горизонта при
открытом водоотливе из карьера
определяется по более точной фор-
муле:
а*7"_
Q = 2‘Пкт (Не—т) Gl-yr5-),
Рис. 1. График зависимости lg f
(Р, а) от Р
где Тв — время от начала откачки
до снижения уровня воды до
кровли водоносного горизонта.
Определив Тв и приняв из проктных проработок время вскрытия
водоносного горизонта, при котором будет происходить осушение, можно
подсчитать водоприток к моменту опускания столба воды в карьере до
подошвы по формуле (1) или же до величины hQ по зависимости
I	а* (Г_ + 7) т* 2 - П7О2
Q = 2irklm (Не - Н} G (-------------) +-----~2----
где р — радиус зеркала воды в карьере; Т — время проходки карьером
водоносного горизонта до уровня hQ.
Большое число месторождений разрабатывается удлиненными горны-
ми выработками — разрезами. Водоприток к 1 м выработки бесконечной
длины в неограниченном безнапорном потоке определяется по зави-
симости
к <he~h0>
где he — столб воды от подошвы водоносного горизонта до статического
Уровня на линии горной выработки; t — время достижения разрезом про-
ектной производительности.
При напорно-безнапорной фильтрации водопритоки в разрез или
траншею определяются по более сложной зависимости:
к {2HQm — т2 — h®)
7Га *Г (2Н^п - т2 -Л2)
/ (Не — т) т2 - Л2
т ---------(1 +--------------------
2	2^е/7? ~ т2 ~
2 (т3 - h®)
3(т2 -Л^)
(т2 -h2Q)
(2Нет - т2 - h®)
2-5190
17
Если водоносный горизонт ограничен рекой, то по прошествии вре-
мени t > 10 наступает стабилизация водопритоков в горные выработ-
ки (здесь L — расстояние центра выработок от реки). Общий водоприток
в выработки определяется по зависимости
1,36 кН1
Q —---------* * * 6-,
ig + 0,3
где Не — столб воды от подошвы горной выработки до статического уров-
ня, м; L — расстояние от рудника до реки; р — приведенный радиус гор-
ных выработок.
Водоприток в рудник, расположенный в водоносном горизонте, от-
деленном прямой линией от водоносного горизонта с другой проницаемос-
тью, определяется по приближенной зависимости
277/с, Н*
где кх — коэффициент фильтрации водоносного горизонта, в котором рас-
положен рудник; а _ ~.кг - к2 — коэффициент фильтрации смежно-
к2 + к j
го водоносного горизонта, L — расстояние от горных выработок до прямо-
линейной границы раздела. Формула применима при условии, если р <
<0,2/..
Водоприток в рудник за счет обводненных пород, залегающих в виде
пласт-полосы, ограниченной непроницаемыми породами, подсчитывается
по зависимости
7Т кН£
У8у£~+ |п 0:321^
(3)
где L — расстояние центра рудника от непроницаемой границы; е — без-
п hy/at	_
размерная величина, зависящая от параметра р =	-------- . При 0,
равном 0,1; 0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1,0 и 1,2, е соответственно равен 1,32;
0,74; 0,37; 0,09; 0,024; 0,005 и 0,001.
Формула (3) применима при условии, когда р < 0,2 L. При невыпол-
нении этого условия необходимы более сложные зависимости [44] .
Если горные выработки полностью прорезают всю ширину полосы,
ограниченной водонепроницаемыми породами, водоприток рассчитывает-
ся по более простой формуле:
kLHe
^/аТ
Q = 0,56
где L — половина ширины пласт-полосы, м.
Приток подземных вод к руднику, расположенному в центре водонос-
ного бассейна округлой формы, ограниченного водонепроницаемыми
породами, определяется зависимостью
18
Л кН2
R at
In— +2— -0. 75
р R2
где R — радиус мульды. Формула допустима при ограничениях p/R < 1/5 и
Г>5 (р2/а).
Приведение закрытого водоносного пласта к круговому рекомендует-
ся при условии, что длина пласта превышает ее ширину не более чем в три
раза.
Ниже приведены зависимости для случаев, когда месторождения об-
водняются одним наклонно залегающим водоносным горизонтом, имею-
щим значительное развитие в направлении падения. Если выработки заме-
няются ,,большим колодцем" (при отношении длины к ширине не более
2-3), то водопритоки определяются по формуле
477 kmSr\
Q- --------------------------У----р----------------
In f} (p+t--sin а) 2 P2 (p + t — sin a)2
-----------У	_|_ । n	H-
p2 + (2c - p) 2-----------------------------2p2
где So — понижение уровня воды от статического до центра „колодца";
t — время достижения проектной производительности шахты или рудни-
ка; р — величина свободной водоотдачи пород; а — угол наклона пласта
к горизонту; с — расстояние от центра колодца до статического уровня
вдоль пласта. Формула действительна при условии, что р < (1/3) с. Кроме
того, если соблюдаются условия р > т; р > 0,1 (к/т) t и р < 0,15 с, то
формула значительно упрощается:
77 кт Sri
0 =—к----------2—•
1,7л4о7
Если горные выработки удлиненной формы и вытянуты по простира-
нию, то водопритоки рассчитываются по формуле
2л km/Sri
Q =------------—-------------2----------------------------------,
/2 + г2 ( р }2 sin2 а	к /р	/
/ In-------7=t'.............+2	(t—arctg-----с arctg ~)
I	+ 4с2	р	tR	2с
где / — половина длины выработки.
В случае, если водоносный горизонт образует мульду круглой формы,
то водоприток в „большой колодец" с постоянным понижением во време-
ни определяется зависимостями
Q_ 2-nkmS0
In--
p
2 77 km
е- G(t-t0),
е =
r	R2 — р2	R
[лр * (R2 + Р2 - -—-- ) + 277 pRm^ In —
ln р
19
где т — мощность водоносного горизонта в основании мульды; —
мощность водоносного горизонта по горизонтали в крыле мульды; So —
понижение от статического уровня до подошвы водоносного горизонта;
R — радиус мульды по линии статического уровня; t — время от начала
отбора воды; tQ — время распространения депрессии до границы мульды;
tQ = /?2/4О. Более сложные зависимости изложены в работе [44] .
Водопритоки к месторождениям, расположенным вблизи рек в без-
напорных водоносных горизонтах, определяются по формуле
TTkh2
21L + &L}
In ---------
Р
где L — расстояние от центра месторождения до реки; Д/. — дополнитель
ное гидравлическое сопротивление аллювиальных отложений и русла
реки.
Если подземные горные выработки подходят под русло реки большой
протяженности и отделены от реки слабопроницаемыми глинистыми ал-
лювиальными отложениями, то применима формула
2vkh2
/ ктт о
In 1,12 V-—
где кт — водопроводимость водоносного горизонта, залегающего под
рекой; mQ — мощность слабопроницаемых аллювиальных отложений;
А'о — коэффициент фильтрации слабопроницаемых аллювиальных отло-
жений.
Более сложные случаи определения водопритоков, в том числе и при
наличии перетекания через глинистые слабопроницаемые породы, указаны
в специальной литературе. Приведенные формулы не охватывают всех
случаев применения аналитического метода, которой может быть исполь-
зован для более частных случаев [44, 45] .
Метод моделирования. При гидрогеологических прогнозах на место-
рождениях используется моделирование на аналоговых (АВМ) и в мень-
шей мере на электронно-цифровых вычислительных машинах (ЭЦВМ) .
Моделирование на АВМ основано на электродинамической аналогии
между фильтрационным потоком и электрическим полем. Моделирование
фильтрационных полей выполняется на сполошных средах (например,
приборы ЭГДА) и на сеточных интеграторах, где сплошное поле фильтра-
ционного потока заменяется сеткой фильтрационных сопротивлений,
соединяемых в узловых точках. Методика моделирования на аналоговых
машинах изложена в работах [32, 39] . Моделирование на ЭЦВМ основано
на решении дифференциальных уравнений, описывающих фильтрационные
процессы.
Метод моделирования рекомендуется применять в сложных гидрогео-
логических условиях, при большой неоднородности фильтрационных
свойств пород и разнообразных граничных условиях потока.
В процессе разведки месторождений метод моделирования использует-
20
ся для прогнозов притоков водь! в горные выработки и возможного из-
менения гидрогеологических условий в процессе горных работ [39|.
результаты исследований на моделях позволяют обосновать мероприятия
по защите шахт и карьеров от обводненности, а также мероприятия по
охране подземных и поверхностных вод от истощения и загрязнения.
При моделировании гидрогеологических условий районов, в которых
формируются безнапорные потоки подземных вод, необходим учет пита-
ния подземных вод за счет инфильтрации атмосферных осадков. Важное
значение имеет информация о закономерности изменения водопроницае-
мости пород с глубиной. Моделирование правомерно при наличии гидрав-
лического единства фильтрационного потока (без разрыва сплошности
потока) .
Схематизация природных гидрогеологических условий и разработка
расчетной схемы модели осуществляется на основе гидрогеологического
районирования территории и предварительных оценок граничных условий
моделируемых водоносных комплексов. При этом модель должна отра-
жать особенности фильтрационной среды, ее внешние и внутренние гранич-
ные условия (реки, водоупорные контуры, зоны разгрузки, дренажные
выработки, водозаборы и т.п.) . В районах эксплуатируемых месторожде-
ний должны использоваться материалы по обводненности горных вырабо-
ток, режиму водопритоков и режиму уровней подземных вод, нарушен-
ного горными работами.
На стадиях разведки месторождений возможности моделирования
обычно существенно превышают имеющуюся информацию. Ограничен-
ность информации не позволяет непосредственно на ее основе получить
функциональное соответствие расчетной модели природным гидрогеоло-
гическим условиям. Это достигается путем решения серии обратных задач
по воспроизведению на модели естественного и нарушенного режима дви-
жения подземных вод в регионе. Решение обратных задач позволяет уточ-
нить гидрогеологические параметры и граничные условия водоносных
горизонтов, получить картину распределения водопроводимости и водо-
отдачи водоносных пород на изучаемой территории.
Решение обратных задач на стадии разведочных работ основывается
на максимальном использовании имеющейся информации в региональном
плане. К необходимым для этого материалам относятся: данные о филь-
трационных свойствах пород на площади возможного развития депрессии
в процессе будущей эксплуатации месторождения; сведения об условиях
питания и дренирования водоносных горизонтов; данные о взаимосвязи
водоносных горизонтов между собой и с реками; геолого-тектонические
и гидрогеологические карты и карты гидроизогипс (гидроизопьез) на
меженный и паводковый периоды. На основе указанных материалов реша-
ется обратная задача с целью определения водопроводимости водонос-
ного горизонта.
В дополнение к этому решаются обратные задачи и для условий отбора
подземных вод при крупных опытных откачках и водопонижении, кото-
рые осуществляются на участках горных разработок первой очереди. При
этом уточняются емкостные характеристики водоносных пород.
Наиболее достоверные результаты моделирования могут быть доен -
гнуты при использовании данных опыта эксплуатации и осушения месте
рождения (на основании материалов первого этапа его освоения или от-
работки верхних горизонтов) .
В целом решение обратных задач с использованием комплекса имек-
щейся информации о районе и месторождении должны быть глубоким
анализом на модели естественных и нарушенных гидрогеологически/,
условий моделируемой территории [39] .
Практические методы оценки однозначности и точности решени;
обратных задач в сложных условиях отсутствуют. Относительными пока
зателями этого можно считать степень совпадения уровней подземных вод
на модели с натурными в сопоставлении с уклонами фильтрационного
потока.
Прогнозные решения выполняются на завершающем этапе моделиро
вания. На моделях определяются притоки воды в горные выработки
развитие депрессионной воронки подземных вод. Прогнозные решения
большей частью должны являться многовариантными с целью оценю
влияния на результаты прогнозов различных граничных условий и возни
кающих общих изменений гидрогеологической обстановки в районе
месторождения. Кроме того, на моделях необходимо исследовать вариан
ты проектных разработок по схеме вскрытия и системам отработки мес
торождения, размещения дренажных сооружений и защитных мероприя-
тий от подземных и поверхностных вод. Результаты моделирования в
стадию разведки месторождения должны использоваться для повышения
целенаправленности гидрогеологических разведочных работ (уточнение
размещения, объемов и видов работ).
Балансовый метод основан на учете основных приходных и расходных
статей водного баланса, формирующих поток подземных вод. В условиях
отбора воды в расчет вводятся привлекаемые ресурсы и естественные
запасы, обусловленные осушением пласта в безнапорных условиях и су-
щественным снижением напора в напорных условиях (упругие запасы) .
В общем случае водоприток О в горные выработки может быть расчле-
нен на составляющие: Q = Оупр + QCT + Оинф + ДОИСП + Qp + ДОП + Ои +
+ Ород , где ОуПр — составляющая, формирующаяся за счет привлечения
упругих запасов; Ост — составляющая, формирующаяся за счет статичес-
ких запасов; Оинф — часть расхода, связанная с инфильтрацией атмосфе-
рных осадков на площади, ограниченной водоразделом подземных вод;
ДОИсп ~ приращение расхода за счет уменьшения испарения с поверхности
грунтовых вод; Оп — фильтрация из поверхностных водотоков и водое-
мов, в том числе и уменьшение разгрузки подземных вод в реки; Дс2п —
приращение питания за счет перетекания из соседних водоносных гори-
зонтов через слабопроницаемые слои; Ои — искусственное питание под-
земных вод (гидроотвалы, шламохранилища, каналы и др.) ; Ород — со-
кращение разгрузки подземных вод родниками в процессе водоотбора.
Обоснованный учет составляющих баланса представляет собой доволь-
но сложную задачу, в связи с чем балансовый метод самостоятельно при-
меним в условиях, когда месторождения приурочены к ограниченным
структурам.
22
Для других схем фильтрации балансовый метод может представить
интерес, как метод ориентировочных оценок обеспеченности прогнозного
водопритока, определенного аналитическим методом.
Приток воды в карьеры за счет атмосферных осадков определяется
интенсивностью и продолжительностью выпадения осадков, коэффициен-
том поверхностного стока и раземром водосборной площади [1, 44] .
Нормальный приток дождевых вод И/д определяется по формуле
И/д = 1000 HaaFB,
где Нд — среднесуточное количество осадков; а — коэффициент поверх-
ностного стока для площади, занятой бортами и дном карьера; в скаль-
ных и глинистых породах а ~ 0,8 — 0,9, в песчаных — а = 0,5 — 0,7 (мак-
симальные значения) ; FB — водосборная площадь карьера (определяется
в границах нагорных канав и дамб).
Следует определять также приток ливневых вод исходя из интенсив-
ности ливневого дождя и его простираемости по площади [1, 44] .
Приток талых вод !4/т в карьер равен
где (5 — коэффициент, учитывающий степень удаления снега из карьера
при ведении горных работ (обычно принимается равным 0,5) ; h — го-
довое количество твердых осадков при 50 % обеспеченности; гс — продол-
жительность интенсивного снеготаяния в период паводка.
Метод гидрогеологических аналогий основан на подобии изучаемого
объекта эксплуатируемому по отдельным признакам или по их совокуп-
ности. Подобие устанавливается по условиям питания и разгрузки подзем-
ных вод, характеру водоносных горизонтов, изменчивости проницаемости
пород, геолого-структурным условиям месторождения. Важна аналогия
систем отработки и осушения изучаемого месторождения и аналога.
Гидрогеологические параметры изучаемого объекта и аналога могут
отличаться. Поэтому непосредственный перенос величин параметров с
одного объекта на другой, особенно в областях развития трещиноватых
и закарстованных пород, сопряжен с возможными погрешностями в рас-
четах. Это вызывает необходимость проводить опытно-фильтрационные и
другие работы на изучаемом объекте. Применение метода аналогий при
изучении месторождений возможно для общих оценок обводненности
шахт (рудников) и карьеров.
Ниже приводятся применяющиеся расчетные зависимости.
По коэффициенту еодообильности kB \ k = V/P,QB — кв Рв, где V —
объем воды, откачанной из шахты (рудника) -аналога за год; Р — добыча
за это время полезного ископаемого; (2П — приток воды в проектируе-
мую шахту (рудник) ; Рв — проектируемая производительность шахты
(рудника) -новостройки. Приемлемые результаты получаются при не-
большом различии в производительности шахт (рудников) на месторож-
дениях с одинаковыми гидрогеологическими условиями,
По коэффициенту фильтрации к, мощности гл или h и напору Н водо-
носного горизонта:
23
в безнапорных горизонтах
О = О кпШп- Sn>Sn .
П Я*дГ2лд-^5Д
в напорных горизонтах
°п = Од*п— ~'
п Д
где Од — фактический приток воды в действующую шахту (рудник) -ана-
лог, Sn и Бд — понижение уровня соответственно в проектируемой и дейст-
вующей шахтах. Зависимости целесообразно использовать в случаях при-
мерно одинаковой производительности проектируемых горных предприя-
тий и их действующих аналогов.
Для условий Донбасса предложены различные эмпирические зависи-
мости. Например, Оп = Од л/s^F^/S^Fгде Fn и Лд — отрабатываемые
площади проектируемой и действующей шахт.
На основании статической обработки фактического материала для
различных районов угольных бассейнов установлена зависимость величи-
ны водопритоков от выработок, площади отработки F, протяженности
выработок по простиранию пород L, производительности горного пред-
приятия Р\
□п =аНп Fm, Qn =aHnLm, Qn = аНпРт •
где а — эмпирический параметр, совокупно учитывающий гидрогеологи-
ческие условия и определяемый из этих уравнений по данным шахт-ана-
логов; п, т — показатели степени, вычисляемые в процессе статистичес-
кой обработки по определенной выработке.
Применимы уравнения множественной линейной регрессии. Такие
уравнения, выведенные для разрабатываемых месторождений, учитывают
оптимальный комплекс технологических и природных факторов, обуслов-
ливающих водопритоки. Они имеют вид Qn = А + ВР + СД + Лд t + ЕН&,
где А, В, С, D, Е . . . — эмпирические коэффициенты, статистически уста-
новленные по шахтам-аналогам, вошедшим в общую выработку; Р — го-
довая производительность шахты; F — площадь выработанного простран-
ства; t — время с начала работы; Н — мощность зоны дренажа.
Материал по аналогам обрабатывается на ЭВМ с получением трех урав-
нений множественной регрессии: линейной, квадратичной и кубической.
Из них по значениям коэффициентов множественной корреляции и стан-
дартной погрешности оценки подбираются наиболее приемлемые для
дальнейших расчетов.
Гидравлический метод применяется в сложных гидрогеологических
условиях и основан на экстраполяции данных откачки с большим водо-
отбором или опытно-производственного водопонижения. Экстраполяция
осуществляется или эмпирическим путем, или базируется на гидродина-
мической основе, как это показано в работе [45]. Эмпирическая экстра-
поляция данных опытно-фильтрационных работ может быГь допущена
в ограниченных пределах — примерно на половину понижения, достигнуто-
го в процессе опытных работ.
24
Если известна закономерность затухании проницаемости пород с глу-
биной, то прогноз изменения водопритоков осуществляется с учетом это-
го фактора. Так как дебит является пропорциональным произведению
средней водопроводимости кт на понижение уровня S, поправка на дебит,
«	«	(кт)' S
достигнутый в процессе групповой откачки, равна $----------- , где
(кт)' — водопроводимость толщи в условиях запроектированного пони-
жения уровня воды S'.
Когда водоносная толща, несмотря на свою неоднородность, может
рассматриваться неограниченной в плане, экстраполяция кривой зависи-
мости отношения понижения к дебиту S/Q во времени t может принимать-
ся по полулогарифмическому закону S/Q — Igr.
В случае пласта-полосы изменение S/Q во времени t пропорционально
корню квадратному от времени. Если же контактирующие с пластом-по-
лосой породы являются проницаемыми, то зависимость понижения от вре-
мени также приобретает полулогарифмический характер. В замкнутом
пласте понижение уровня должно приниматься линейным от времени,
несмотря на то что в процессе откачки характер этой зависимости был
иным. Но в дальнейшем, когда горные выработки достигают подошвы
пласта, водоприток к ним определяется величиной питания подземных
вод на площади водосбора. В таких условиях величина общего водоприто-
ка в выработки оценивается балансовым методом.
Если окружающие водоносный пласт породы обладают некоторой
проницаемостью и могут рассматриваться неограниченными (полузакры-
тый пласт), то в этих условиях зависимость понижения уровня или S/Q от
времени также приобретает полулогарифмический характер.
Таким образом, одним из важнейших вопросов, который необходимо
решить при использовании для прогнозов гидравлического метода, явля-
ется выбор закона экстраполяции результатов, полученных при откачке.
Когда при откачке достигнута стабилизация уровней при постоянном де-
бите, можно использовать метод сложения течений.
На основе гидродинамических зависимостей получен ряд формул для
определения общих водопритоков в горные выработки в условиях нак-
лонного залегания пород и неустановившегося движения. Упрощенные
гидравлические зависимости получены для полуограниченного одного
пласта и системы наклонных водоносных пластов [39, 45]. В первом
случае зависимость будет иметь вид
0= -------~ —— 1
ig (Pt sin а) /\/Рс^
где Р и D — коэффициенты, определяемые по данным режимных наблюде-
ний; So — понижение уровня воды в выработках; Т — время от начала
водоотбора; с — глубина выработки по пласту; Р — производительность
шахты (рудника); а — угол наклона водоносного пласта. Для определе-
ния параметров Р и D необходимо иметь данные о водопритоках в выра-
ботки на разные периоды времени, по которым составляется система из
Двух уравнений.
25
Во втором — горные выработки могут быть удалены от области выхо-
дов пластов, в результате чего осушение водоносных пород может начать-
ся еще до того, как влияние водоотбора достигнет свободной поверхности
водоносного пласта на выходе. Примерное время, когда влияние водоот-
бора скажется на свободной поверхности, может быть определено по зави-
симости tB > (0,5 с2) /а, где с - расстояние от центра выработки до точки
пласта, где установился статический уровень. При Т < гв прогнозы водо-
притоков в выработки могут производиться по формулам для неогра-
ниченного водоносного пласта. По аналогии с предыдущим расчетная
зависимость выражается в виде
In фТ/Р)
Вероятностностатистические методы требуют наличия на месторожде-
нии сравнительно длительного периода наблюдений за общими водопри-
токами в горные выработки (на верхних горизонтах или на участке-ана-
логе) . Предполагается также сохранение более или менее постоянной
обстановки.
Возможность применения вероятностно-статистических методов для
прогноза водопритоков в горные выработки обусловлена тем, что этот
процесс является многофакторным. Так как сочетание этих факторов
в каждый отдельный момент времени является случайным, то, как пока-
зано А.Н. Колмогоровым, рассматриваемый процесс можно считать слу-
чайным. Поскольку не всегда имеются длинные ряды наблюдений, обычно
применяют корреляционные методы. Их применение возможно при опре-
деленных ограничениях.
При корреляционном анализе рассматриваемого процесса целесо-
образно расчленить общий водоприток на две составляющие: детермини-
рованную (тренд) и случайную. Первая обусловлена в основном горно-
техническими факторами, а вторая — обычно гидрометеорологическими
факторами [39].
Существенные изменения общих водопритоков в выработки в различ-
ные по водности годы и сезоны года наблюдаются в соответствии с ходом
гидрометеорологических факторов. Особенно характерны они для место-
рождений в массивах трещиноватых и закарстованных пород, достаточно
тесно связанных с атмосферными осадками и речной сетью.
Прогноз максимальных водопритоков при этом может осуществлять-
ся путем сочетания вероятностно-статистических расчетов с моделирова-
нием. Изменение среднегодового водопритока во времени под влиянием
горнотехнических факторов (тренд) определяется с помощью модели-
рования, а отклонения от тренда, зависящие от водности отдельных лет
или сезонов, рассматриваются как случайные величины. Они алгебраи-
чески складываются с величинами, полученными по тренду на данное вре-
мя. Величины отклонения от тренда заданной обеспеченности находятся
по установленным корреляционным связям с величинами инфильтрацион-
ного питания, потерь из рек или другими факторами.
Метод корреляции получил широкое применение для прогноза водо-
26
притоков в систему горных выработок в зависимости от горнотехничес-
ких факторов. Однако следует иметь в виду, что высокие коэффициенты
корреляции, полученные путем анализа опыта эксплуатации за предыду-
щие годы, не дают еще оснований для полноценного прогноза водоприто-
ков в горные выработки, если при этом отсутствуют данные о характере
изменения гидрогеологических условий по площади месторождения и на
глубину. Например, в Донбассе явление затухания проницаемости пород
с глубиной в определенной мере учитывается с помощью эмпирических
зависимостей, но до какой глубины допустимо применять предложенные
зависимости — неизвестно.
Формирование состава дренажных, шахтных и рудничных вод зависит
от многих факторов, к которым можно отнести: вид добываемого полез-
ного ископаемого и геологические условия его залегания, способ и систе-
му разработки, глубину ведения горных работ, скорость продвижения
горных работ, площадь выработанного пространства, интенсивность пос-
тупления подземных вод в горные выработки, литологический состав
вмещающих пород, химический состав подземных вод, производитель-
ность рудника или шахты, интенсивность и продолжительность водоотли-
ва, температуру подземных вод и температуру воздуха в выработках.
Поэтому прогнозирование химического состава дренажных вод является
весьма сложной задачей.
Прогнозная оценка химического состава и свойств дренаж-
ных вод может осуществляться методами: гидрогеохимических аналогий,
статистическим, аналитическим и графоаналитическим, моделирования.
Метод аналогий используется при наличии эксплуатируемых место-
рождений, имеющих аналогичные гидрогеохимические и горно-эксплуата-
ционные условия с изучаемым месторождением. В простейшем случае
имеющиеся гидрогеохимические данные о дренажных водах используются
на разведуемом месторождении. В Донбассе определение содержания
макрокомпонентов, величины минерализации и общей жесткости дренаж-
ных вод предложено производить по уравнениям их связи с глубиной гор-
ных разработок.
Вид и параметры этих уравнений определяются по фактическим дан-
ным шахт-аналогов, по которым стоятся графики изменения содержания
соответствующих компонентов с глубиной. По кривым графиков опреде-
ляются координаты характерных точек и решается система уравнений.
Статистический метод основан на корреляции между содержаниями
химических компонентов дренажных и подземных вод, а также на их
корреляции с горнотехническими факторами. Метод может применяться
при объемах информации, достаточных для статистической обработки.
Применяются уравнения регрессии общего вида, описывающие зави-
симость содержания химических компонентов у в дренажных водах от
Различных факторов: у — ах + Ь. В уравнение может вводиться поправоч-
НЬ1Й коэффициент к: у = к (ах + Ь); к = ~! ~п------п, где kY, к2,  ,
ь
п — поправочные коэффициенты, полученные на основании единичных
химических анализов дренажных вод.
27
Прогноз агрессивных и других свойств дренажных вод может произ-
водиться на основании прогнозных содержаний различных их компонен-
тов. Содержание компонентов, минерализация и жесткость смешанных
общешахтных вод, поступающих с различных горизонтов и пластов,
определяются как средние взвешенные. На месторождениях, где под-
земные воды характеризуются высокой минерализацией (десятки грам-
мов на литр и более), прогнозные состав и свойства дренажных вод мож-
но рассчитывать как средние взвешенные по разведуемой площади по ре-
зультатам, опробования водоносных горизонтов в скважинах.
Аналитическим методом можно оценивать подтягивание к горным вы-
работкам более минерализованных вод, определять время поступления
первых порций этих вод и минерализацию смешанных вод на любой мо-
мент времени. Расчетные формулы выведены для условий постоянства
расхода во времени [5, 14, 45].
Возможность подтягивания более минерализованных вод к выработ-
кам определяется положением области влияния дренажа, водоотлива по
отношению к контуру этих вод. С этой целью рассчитывается положение
водораздельной точки области влияния дренажа. Если ее расстояние хА от
центра выработок превысит расстояние до контура минерализованных
вод, то в выработки попадут более минерализованные воды. В неограни-
ченном водоносном горизонте при наличии естественного потока и замене
выработок „большим колодцем"
ХА =Q/{2irmki).
При наличии моря или соленого озера и естественного потока к ним
положение водораздельной точки определяется по формуле
у	Ы
~ Tfmki '
где Q — средний водоприток к месторождению; d — расстояние от вы-
работок до моря (озера) ; / - уклон естественного потока. Водораздель-
ная точка будет расположена между выработками и морем, если
QJ (itrndki} < 1.
Время попадания в выработки первой порции вод повышенной мине-
рализации вычисляется по формулам:
при отсутствии естественного потока, т.е. в бассейне, для „большого
колодца"
Т = ('nmnx?)l Q]
для траншеи
Т = (2iurilnx} /Q;
в не ограниченном в плане водоносном горизонте при наличии естест-
венного потока по его направлению
Т = -^— [Х1-хА1п(— +1)];
ki L 1 м	Хд
28
в полуограниченном пласте с контуром питания
(ZL 3 -З^Н-
/ за L d
£Сли граница вод повышенной минерализации совпадает с контуром пита-
ния водоносного горизонта, то
Т - (limmd2) /30,
где Т — время подтягивания первых порций минерализованных вод;
Z7 — активная пористость; d — расстояние от выработок до контура с пос-
тоянным напором; хх — расстояние от контура питания до границы с
минерализованными водами.
Если граница минерализованных вод расположена между рудником
и контуром постоянного напора, то х{ < d; если с другой стороны,
то х > d.
Минерализация дренажных вод на любой момент времени после сме-
шения вод для условий неограниченного бассейна определяется для „боль-
шого колодца" по зависимости
С1 + со	т
с-Сгу+-------- arccos — ,
и я	г
где с, с0 и сх — соответственно минерализация дренажных вод на момент
времени t, минерализация пресных вод и повышенная минерализация вод;
Т — время подтягивания первых порций воды повышенной минерализа-
ции; t — время, на которое определяется минерализация. Предельная
концентрация про прошествии достаточно большого времени равна
стэ< ~ ^с0 +	» /2-
Если слой пресных вод залегает над более минерализованными вода-
ми, то в процессе дренажа горных выработок, расположенных в слое
пресных вод, будет происходить подтягивание минерализованных вод.
Предельное значение минерализации дренажных вод вычисляется по урав-
нению
Щах=М1 - (М1 -мо) (^7,
где Mi — минерализация подтягиваемых минерализованных вод; Мо —
минерализация пресных вод; mQ — мощность слоя пресной воды, залегаю-
щего на минерализованных водах; m — общая мощность водоносного
горизонта.
Гоафоаналитический метод прогноза химического состава дренажных
вод заключается в построении графиков зависимости содержания макро-
компонентов в воде от величины минерализации (графики смешения)
по имеющимся данным. При значительном разбросе данных минерализа-
ции графики строятся в полулогарифмическом масштабе. Прогнозное
подержание компонента может быть определено по построенным графи-
кам, если известна прогнозная минерализация, определенная другими
Методами
Метод моделирования применяется при сложных контурах минерали-
зованных вод и фильтрационной неоднородности пород. С его примене-
нием выполняются прогнозы изменения общей минерализации дренажных
29
вод, основанные на принципе поршневого вытеснения и смешения вод
различной минерализации в дренажных выработках. В числе исходных
материалов для прогноза должна быть гидрохимическая карта района
с характеристикой изменения минерализации воды по площади. Распола
гая гидродинамической схемой потока на конец каждого выделенного
периода времени, рассчитываются скорость и величина перемещения к
горным выработкам границ зон разной минерализации по основным нап
равлениям потока. Определив, какой минерализации и в каком коли
честве поступает вода в дренажную систему в каждый выделенный период
времени, рассчитывают общую минерализацию вод по формуле смешения,
так как общий дебит дренажа, расход и минерализация воды по основным
линиям тока известны.
МЕТОДЫ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКОГО ПРОГНОЗИРОВАНИЯ
Одной из важнейших задач оценки инженерно-геологических условий
при разведке месторождений является предвидение возможности, време
ни и места возникновения инженерно-геологических процессов и явлений,
влияющих на работу добывающих предприятий или оказывающих воздей
ствие на окружающую среду. Объектами прогнозов являются опускание,
обрушение, сползание, выдавливание, оползание пород в горные выработ
ки, оседание почвы выработок, внезапные выбросы, горные удары, дефор
мации внутренних и внешних отвалов и т.п.
По Г.Г. Скворцову, научную основу инженерно-геологического прог
нозирования составляют учет и оценка факторов и использование законо
мерных связей между этими факторами, процессами, и явлениями, подле
жащими предвидению.
Прогнозирование заключается в учете природных и техногенных фак
торов, выявленных на конкретных объектах инженерно-геологической
оценки, в переработке информации об этих факторах и выполнение
прогнозов. Совокупность решающих правил, применяемых для решения
задач прогнозирования, принято называть методами прогнозирования,
их несколько.
Методы экспертных оценок. Предусматривают получение прогности-
ческих решений путем опроса специалистов [33] . Методы пригодны для
прогнозирования сложных по механизму и причинной обусловленности,
слабо изученных инженерно-геологических процессов и явлений. Возмож-
ность широкого и эффективного использования этих методов ограничи-
вается низким уровнем доказательности и не всегда удовлетворительной
достоверностью получаемых прогностических решений.
Методы симптомов, по Г.С. Золотареву. Основываются на учете внеш-
них признаков (симптомов), свидетельствующих о возможности возник-
новения, том или ином характере, интенсивности или масштабах подле-
жащих прогнозированию процессов и явлений. Метод используется, напри-
мер, при прогнозировании явлений внезапных выбросов пород с газом.
В качестве симптома выбросоопасности песчаников учитывается само-
произвольное разделение керна буровых скважин на выпукло-вогнутые
30
диски. В качестве симптомов, позволяющих предсказывать отделение от
массива и интенсивное обрушение пород в будущие выработки, могут
использоваться показатели расслоения и большая скорость самопроиз-
вольного разделения керна на более тонкие диски. Учет таких единичных
признаков, какими являются симптомы, и использование основанных на
этом методов могут осуществляться лишь в ограниченных масштабах.
Методы инженерно-геологической аналогии. Заключаются в перене-
сении знаний об инженерно-геологических процессах и явлениях в преде-
лах изученных разрабатываемых месторождений или участков на новые
подлежащие разработке и сходные с изученными объектами-аналогами.
На этапе прогнозирования осуществляется обоснованный выбор
аналогов месторождения или участка, подлежащего инженерно-геологи-
ческой оценке. При этом требуется сходство по максимально возможному
количеству признаков, относящихся к составу, строению, свойствам, сос-
тоянию массивов горных пород, реально применяемой и рекомендуемой
горной технологии.
Перенесение знаний об аналоге на месторождение или участок, подле-
жащие освоению, должны осуществляться с максимальным учетом неиз-
бежного несовпадения отдельных признаков. Следует, например, вносить
поправки на различие глубины залегания полезного ископаемого, степени
обводненности массивов горных пород и т.п.
Методы классификации. На основе всестороннего изучения инженерно-
геологических особенностей множества освоенных промышленностью
месторождений и анализа характера и интенсивности реакции геологичес-
кой среды на разработку полезных ископаемых эти месторождения
(участки) делятся на группы или подмножества, называемые классами.
Классификация осуществляется таким образом, чтобы она отражала, с
одной стороны, связь между существенными природными и производст-
венными факторами, с другой — возможность возникновения, характер
и масштабы интересующих нас процессов и явлений. При соблюдении дан-
ного условия определение принадлежности любого нового месторождения
(участка) к тому или иному классу позволяет предсказывать процессы и
явления, которые могут сопровождать предстоящую разработку этого
нового объекта.
Следует отметить, что при необходимости учета большого числа приз-
наков схемы классификации оказываются весьма громоздкими и не все
классы удается уверенно охарактеризовать по фактическим данным.
Поэтому методы могут использоваться главным образом для ориентиро-
вочного прогнозирования явлений при ограниченном числе подлежащих
Учету признаков.
Методы экстраполяции. Основаны на выяснении закономерностей раз-
вития инженерно-геологических процессов по результатам многократно-
го измерения относящихся к ним параметров и распространения этих
закономерностей на определенные периоды будущего времени. В данном
случае изменения регистрируемых и подлежащих прогнозированию значе-
ний инженерно-геологических показателей рассматриваются и исследуют-
ся как нестационарные, периодические и стационарные случайные процес-
сы [3, 9].
31
Вначале производится построение вероятностных моделей случаных
процессов, которое включает выполнение следующих операций: установ-
ление факта существования тенденции изменения параметра и принадлеж-
ности исследуемого процесса к разряду нестанционарных; выбор формы
кривой или поверхности, описывающей изменчивость детерминированной
составляющей параметра; оценивание параметров кривой (поверхности);
оценивание доверительных интервалов; оценивание вероятносных харак-
теристик процесса. Перечисленные выше операции осуществляются на ос-
нове методов математической статистики.
Для использования методов экстраполяции необходимо располагать
значительными по длине динамическими рядами наблюдений, что не
всегда возможно на практике.
Методы математического моделирования. Основываются на использо-
вании математических формул, выражающих связи между возможностью
возникновения, параметрами процессов и явлений и показателями, отно-
сящимися к факторам, существенно определяющим реакцию геологичес-
кой среды на горные работы. Детерминированные модели, выражающие
причинную обусловленность процессов и явлений, строятся на основе
использования законов механики горных пород и других научных дис-
циплин.
В силу обычно недостаточной изученности многих из процессов и явле-
ний, их детерминированные математические модели удается получить
лишь в относительно редких случаях. Намного реальнее математическое
выражение статистических закономерностей в виде стохастических моде-
лей. Наиболее распространенным способом решения этой задачи является
получение уравнений парной и множественной регрессии [9] на основе
данных наблюдений в действующих горных выработках.
Методы математического моделирования могут использоваться приме-
нительно к прогнозированию главным образом относительно простых про-
цессов и явлений, обусловленных ограниченным числом хорошо изучен-
ных факторов.
Методы физического и физико-химического моделирования. Основ-
ными видами физического моделирования, пригодными для прогнозиро-
вания инженерно-геологических процессов и явлений, следует считать
моделирование на эквивалентных материалах и поляризационно-оптичес-
кое моделирование [9]. В первом случае используются материалы, обес-
печивающие соблюдение условий подобия. Из эквивалентных материалов
с соблюдением заранее установленного линейного масштаба изготавли-
вается модель разрабатываемого массива, воспроизводящая слоистость
слагающих его пород, развитые в нем складчатые и разрывные нарушения,
трещиноватость. В модели массива устраиваются выемки, имитирующие
горные выработки, и элементы, моделирующие рудничную крепь.
Испытания моделей из эквивалентных материалов можно применять
для прогнозирования углов сдвижения пород, залегающих над выработан-
ным пространством, формы и размеров сводов и сводообразных поверх-
ностей разгрузки, последовательности формирования трещиноватости
пород и зон обрушения в подземных выработках и др.
32
Поляризационно-оптическое моделиро-
вание основывается на использовании
оптически-активных материалов, способ-
ных поляризовать под действием меха-
нических напряжений проходящий через
них свет. Указанное свойство этих мате-
риалов позволяет прогнозировать напря-
женное состояние разрабатываемых мас-
сивов горных пород с учетом их строения
и свойств, а также формы и размеров
будущих выработок. Модели изготав-
ливаются из прозрачных фотоупругих
или фотопластичных желатино-глицерино-
вых смесей, пластических масс и других,
обычно органических веществ [9].
Физико-химическое моделирование
заключается в искусственном воспроиз-
ведении процессов и явлений, обуслов-
ленных различными физико-химическими
факторами или в значительной мере
зависящих от них. Можно, например,
моделировать процессы деформации и
О 20	40 б£сгсж,МПа
Рис. 2. График граничных ус-
ловий устойчивости пород
кровли горизонтальных выра-
боток.
Зоны состояния кровли выра-
боток: / — неустойчивое, // —
устойчивое; Н — глубина зало-
жения выработки, м; 5СЖ —
предел прочности при сжатии
после замачивания породы в
шахтной воде в течение 20 сут,
МПа
разрушения горных пород в условиях интенсивного воздействия на них
различных по составу минерализованных подземных вод, при повышен-
ной температуре и т.п.
В связи с большой трудоемкостью и ограниченностью сферы примене-
ния на более ранних стадиях геологоразведочного процесса физическое
моделирование применяется редко. В большей степени применимо физи-
ко-химическое моделирование.
Методы многофакторного распознавания. Заключаются в определении
принадлежности инженерно-геологических ситуаций к одному из двух или
нескольких классов с характерными особенностями процессов и явлений,
выражающих реакцию геологической среды на горно-эксплуатационные
работы. Наиболее просты методы графического распознавания, базирую-
щиеся на построении и использовании так называемых графиков гранич-
ных условий, по В.Л. Свержевскому. Последние представляют собой ди-
аграммы, построенные по результатам наблюдений (рис. 2).
На этапе прогнозирования по данным о сочетании параметров, зафик-
сированных при разведке нового объекта, на диаграмму выносится соот-
ветствующая ему точка. В зависимости от того, в какое из полей она по-
дает, делается прогностическое заключение. Метод довольно широко при-
меняется в Донбассе для ориентировочного прогнозирования обрушений
пород и других видов деформации горных выработок.
Другой разновидностью рассматриваемых методов является вероят-
ностное распознавание. Последнее основывается на использовании теоре-
мы Байеса и принципах последовательного статистического анализа,
охарактеризованных в работе [9]. По формуле Байеса вычисляется усло-
3-5190
33
вная вероятность реализации события Aj при наступлении события Вг
Методы многофакторного распознавания по формуле Байеса могут
применяться для прогнозирования обрушений пород в подземные выра-
ботки, внезапных выбросов угольных пластов с газом и других явлений,
сопровождающих разработку месторождений. Прогнозирование по методу
последовательного анализа осуществляется суммированием так называе-
мых „прогностических коэффициентов" до тех пор, пока получаемая сум-
ма не выйдет за пределы интервала, ограниченного прогностическими
порогами. В зависимости от того, какой достигнут порог, принимается
гипотеза А или альтернативная гипотеза В. Последовательный анализ мо-
жет использоваться для ориентировочного прогнозирования практически
любых многофакторных процессов и явлений.
В заключение следует подчеркнуть, что важной задачей является дока-
зательство научной состоятельности применяемых методов прогнозирова-
ния и достоверности получаемых на их основе прогнозов. Для решения
этой задачи следует во всех случаях осуществлять предпрогнозную про-
верку методов на контрольных выборках с хорошо изученными инженер-
но-геологическими условиями, включая характер и масштабы процессов
и явлений, сопровождающих разработку полезных ископаемых.
Результаты инженерно-геологического прогнозирования должны ото-
бражаться графически, лучше всего путем оконтуривания на специальных
прогнозных картах и схемах районирования участков, в пределах которых
те или иные процессы и явления могут реализоваться в различной форме
и разных масштабах.
Глава 4
МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ И ИНЖЕНЕРНО-
ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
Комплекс гидрогеологических и инженерно-геологических исследова-
ний при разведке месторождений включает проектирование, полевые ра-
боты, лаборатоные исследования и камеральные работы.
Проектирование работ заключается в сборе, анализе, обобщении фон-
довых и литературных материалов по ранее проведенным исследованиям
и в составлении соответствующих разделов проекта на разведку место-
рождений.
ПОЛЕВЫЕ РАБОТЫ
Комплексная гидрогеологическая и инженерно-геологическая съемка
и маршрутные исследования. Необходимость производства комплексной
гидрогеологической и инженерно-геологической съемки района место-
рождения зависит от степени изученности территории, сложности природ-
ных условий и стадии разведки месторождения.
34
Площадь картирования определяется с учетом расположения ближай-
ших областей питания и разгрузки основных водоносных горизонтов
обводняющих месторождение; предполагаемого развития депрессионной
воронки подезмных вод под влиянием осушения месторождения; наличия
на близлежащих участках очагов развития экзогенных геологических
процессов. Кроме того, площадь съемочных работ выбирается с учетом
возможного распространения интенсивного влияния будущего горного
предприятия на геологическую среду.
Основные задачи комплексных съемочных гидрогеологических и ин-
женерно-геологических работ заключаются в получении и сборе матери-
алов для характеристики района с точки зрения выявления особенностей
обводненности горных выработок, поведения пород в бортах карьеров
и в подземных горных выработках, влияния горно-эксплуатационных ра-
бот на геологическую среду, оценки условий наземного строительства.
На месторождениях, расположенных в малоосвоенных районах, пред-
варительная гидрогеологическая и инженерно-геологическая характерис-
тика территории может быть дана на основе материалов комплексной гео-
логической съемки масштаба 1:100 000, 1:200 000. При отсутствии таких
материалов должно быть проведено маршрутное гидрогеологическое и
инженерно-геологическое обследование территории с целью выявления
основных гидрогеологических черт района, развития различных современ-
ных геологических процессов и явлений, которые могут осложнить усло-
вия отработки месторождения и строительства. При этом должна быть
выявлена необходимость проведения комплексной гидрогеологической
и инженерно-геологической съемки (масштабов 1:50 000 — 1:200 000),
которая проводится в период предварительной разведки месторождения.
На стадии детальной разведки непосредственно на месторождениях
со значительной обводненностью массивов пород и развитием современ-
ных геодинамических процессов и явлений (оползней, карста, суффозии,
селей, лавин) производится специализированная гидрогеологическая и
инженерно-геологическая съемка: на месторождениях платформенных
областей в масштабе 1:25 000 или 1:50 000, на месторождениях в геосин-
клинальных горно-складчатых областях — 1:10 000 или 1:25 000. Карти-
рование сопровождается исследованиями методами полевой геофизики,
аэрофотосъемки, картировочным и зондировочным бурением, пенетраци-
онно-каротажными работами (по рыхлым и слабосвязным породам).
При этом изучают и картируют состав пород, характер их залегания,
структурно-тектонические особенности, распространение водоносных го-
ризонтов, их водообильность, условия питания и разгрузки, химический
состав вод, физико-механические свойства пород и грунтов, современ-
ные геодинамические процессы и явления, различные водопроявления
(родники, болота и пр.). Оценивают их значение для проектируемого ос-
воения месторождения.
Изучаются формы выветривания пород, характер продуктов выветри-
вания и связи с ними геодинамических явлений. В горных районах выяв-
ляют селе- и лавиноопасность для осваиваемых месторождений, изучают
Данные о сейсмичности территории.
35
Обследуются карьеры и подземные выработки разрабатываемых
месторождений, расположенных в пределах района исследований. Фик
сируется устойчивость пород в естественных обнажениях и откосах карь
еров: определяются углы откосов, характерные для различных типое
пород. Устанавливается зависимость углов откосов от поверхностей ос
лабления (слоистости, сланцеватости, трещиноватости пород).
Изучаются влияние климатических условий (атмосферные осадки
экспозиция, промораживание и оттаивание и т.п.), грунтовых вод на ус
тойчивость и форму откосов, отношение пород к воде (размокаемость
размываемость, растворимость и др.). В подземных горных выработках
фиксируются общий водоприток, выходы воды и дебит крупных водо
проявлений.
На шахтном и карьерном полях отмечаются наличие водопонизитель
ных и дренажных систем, гидротехнических сооружений (водоотводных
каналов, дамб, плотин, водохранилищ и т.п.).
При съемках большое внимание необходимо уделять изучению влия
ния горных работ и осушительных мероприятий (если они имеются на
площади картирования) и крупных водозаборов подземных вод на гидро-
геологические и инженерно-геологические условия месторождения и
района. Материалы съемочных работ с привлечением данных, полученньг
при разведке месторождения, должны обеспечить составление гидрогео
логической и инженерно-геологической карт района месторождений.
Бурение гидрогеологических и инженерно-геологических скважин
Специальные гидрогеологические и инженерно-геологические скважины
бурятся для определения гидрогеологических параметров водоносных
горизонтов, выявления мощности, состава, трещиноватости и инженерно-
геологических свойств пород, слагающих массив месторождений. При
разведке месторождений для получения гидрогеологической и инженер-
но-геологической информации необходимо также максимально использо-
вать геологоразведочные скважины.
Необходимость в бурении гидрогеологических и инженерно-геологи
ческих скважин специальных конструкций возникает в местах отсутствия
геологоразведочных скважин и в связи с их непригодностью вследствие
недостаточного диаметра, конструкции и технологии проходки, не учиты
вающих потребностей рассматриваемых исследований.
Количество гидрогеологических и инженерно-геологических скважин
определяется в каждом конкретном случае в зависимости от стадии раз-
ведки, особенностей геологического строения, инженерно-геологических
и гидрогеологических условий и размеров карьерного или шахтного поля
Максимальная глубина скважин должна превышать примерно на 30—50 м
глубину, до которой производится оценка запасов полезного ископае-
мого. При наличии в подошве тела полезного ископаемого водоносного
горизонта глубина бурения должна позволить изучить его гидрогеологи
ческие параметры.
Конструкция и технология бурения гидрогеологических и инженерно
геологических скважин должны обеспечивать в соответствии с целевым
заданием наибольший выход керна, опробование скважины, минимальное
36
уменьшение фильтрационных свойств пород в прискважинной зоне, воз-
можность получения наибольшего дебита скважины, сохранение струк-
туры и влажности пород, проведение режимных наблюдений. Это может
потребовать применения специальных методов проходки скважин, двой-
ных колонковых труб, грунтоносов, осложненных конструкций скважин,
специальных методов обработки скважин (раскольматации, кислотной
обработки и т.п.).
Подобные же требования предъявляются к геологоразведочным сква-
жинам, специально используемым в гидрогеологических и инженерно-
геологических целях. По другим геологоразведочным скважинам инте-
ресующая информация получается попутно без дополнительных требова-
ний к их проходке.
Для бурения скважин чаще всего применяются установки колонково-
го бурения шпиндельного типа, реже установки роторного типа и установ-
ки ударно-канатного бурения.
Для обеспечения хорошего качества откачек конструкции опытных
скважин должны предусматривать применение электропогружных насо-
сов с необходимой подачей или эрлифтных установок, требующих боль-
шого заглубления труб ниже уровня воды. Диаметр верхней части сква-
жин должен быть не менее 146 мм до глубин примерно 150—200 м (чтобы
позволить установить электропогружные насосы); остальная часть сква-
жины может иметь меньший диаметр (для вскрытия водоносного гори-
зонта). Глубокие водоносные зоны разломов и закарстованные породы
целесообразно вскрывать и опробовать многоствольным бурением. Кон-
струкция скважин должна предусматривать оборудование их фильтрами
или перфорированными трубами в интервалах водоносных горизонтов и
зон, сложенных неустойчивыми породами. В наблюдательных скважинах
должна обеспечиваться возможность установки уровнемеров и отбор проб
воды пробоотборниками. Бурение по водоносным породам рекомендует-
ся производить с промывкой чистой водой, продувкой воздухом или бу-
ровыми растворами, способными к коагуляции. Применяется также удар-
но-канатное бурение. Конечный диаметр бурения инженерно-геологичес-
ких скважин должен обеспечивать отбор керновых проб скальных пород
диаметром не менее 40 мм, полускальных — 50 мм и связных — 80 мм.
В породах с крупнообломочным материалом конечный диаметр скважины
должен быть не менее 115—155 мм.
При бурении инженерно-геологических скважин в толще несвязных
и слабых глинистых пород для предотвращения набухания и размыва
керна в качестве промывочной жидкости применяется густой глинистый
раствор плотностью 1,15—1,20 г/см3, вязкостью 20—22 с и коллоидностью
94—96 %. Во избежание размыва керна скорость подачи промывочной жид-
кости сокращается в 1,5—2 раза по сравнению с обычной; сокращается
таКже число оборотов бурового снаряда до 120—180 мин-1. Вместо про-
мЬ1вки забоя рекомендуется также применять продувку его сжатым воз-
духом.
В областях распространения многолетней мерзлоты инженерно-геокри-
°Догические скважины должны проходиться преимущественно ,,всухую"
(для максимального сохранения исходной температуры пород).
37
Решение ряда инженерно-геологических задач (определение простран-
ственной ориентировки трещиноватости, использование микроструктур,
ного анализа для определения направления действия основных напряже-
ний в массиве) требует при бурении наклонных скважин отбора ориен-
тированного керна. Получение ориентированного керна осуществляется
методами выбуривания пилот-скважины, нанесения метки остро заточен-
ным бойком на специально помещенной шайбе, определения датчиками
положения апсидальной плоскости скважины, например датчиком, разра-
ботанным во ВСЕГИНГЕО А.В. Трушиным.
Обследование горных выработок месторождений-аналогов и их выбо-
рочная документация. Обследование (картирование) шахт, подземных
рудников и карьеров, расположенных в районе разведуемого месторож-
дения или отрабатывающих его верхние горизонты, необходимо для ис-
пользования опыта эксплуатации в целях прогнозной оценки условий ос-
воения месторождения. Полученные при этом материалы могут позволить
уменьшить объемы разведочных гидрогеологических и инженерно-геоло-
гических работ. В качестве опорного эталонного участка на эксплуатируе-
мом месторождении-аналоге могут быть использованы как отдельные
выработки, участки, горизонты, так и в целом шахта, штольня, карьер.
В процессе гидрогеологического обследования подземных горных вы-
работок и карьеров-аналогов необходимо: выяснить характер и степень
обводненности подземных горных выработок и карьеров, зависимость
водопритоков от приуроченности горных выработок к различным типам
пород, зонам разломов, повышенной трещиноватости и закарстованности,
сквозным таликам; дать оценку влияния различных природных и горно-
технических факторов на обводненность подземных горных выработок и
карьеров.
В состав гидрогеологического обследования входят: сбор и обобщение
материалов геологической и маркшейдерской служб горного предприя-
тия; гидрогеологическая съемка (или обследование) подземных горных
выработок и карьеров; организация стационарных наблюдений (если они
отсутствуют) за водопритоками в горные выработки и карьеры и уровня-
ми подземных вод.
Сбору и анализу подлежат следующие материалы: погоризонтные
планы горных выработок на геологической основе; сведения о принятой
системе отработки (разрабатываемые пласты и горизонты, площадь вы-
работанного пространства в шахте, размеры и глубина карьера и др.);
данные о темпах развития горных работ по площади и на глубину; сведе-
ния о водоотливе и работе дренажных сооружений, отдельных фонтани-
рующих скважин, о водопроявлениях; материалы режимных наблюдений
за подземными водами и водами поверхностных водотоков и водоемов
(расходы, уровни, химический состав вод), находящихся в зоне влияния
отработки месторождения; данные о гидравлической взаимосвязи под-
земных и поверхностных вод и ее активности в различные периоды года;
сведения о размерах и динамике развития депрессонной воронки под вли-
янием рудничного водоотлива и в связи с развитием горных работ и свя-
занных с этим изменениях гидрогеологических условий на прилегающей
38
терРит0Рии; информация о прорывах подземных вод и исчезновении
Крупных водопроявлений, о причинах аварийных прорывов в горные вы-
работки, их параметрах; результаты наблюдений при затоплении шахт,
карьеров, а также при их осушении (объем затопленных выработок,
продолжительность восстановления воронки депрессии, образовавшейся
вокруг выработок до их затопления) ; сведения о применяющихся спосо-
бах борьбы с рудничными водами; метеорологические данные.
Гидрогеологическая съемка подземных горных выработок и карье-
ров производится в масштабах 1:1000 — 1:2000 (1:5000). При этом
освещаются те же факторы, которые изучаются при соответствующей
гидрогеологической документации разведочных горных выработок. При
производстве гидрогеологической съемки карьеров рекомендуется: опи-
сывать и наносить на планы основные выходы подземных вод в карьере
и в разрезных траншеях, высачивание воды на откосах, скопления воды и
заболоченные участки, водосборники, канавы и т.п.; выявить влияние
гидрогеологических факторов на устойчивость откосов бортов и дна карь-
ера; замерять расходы водопроявлений и потоков на бортах и дне карье-
ра, в нагорных и водоотводных канавах, дренажных галереях, определять
дебит дренажных горных выработок и скважин, водоотлива из зумпфов и
водопонизительных скважин; замерять уровень и температуру воды в
водоприемниках, дренажных сооружениях, водопонизительных и наблю-
дательных скважинах, вынос с водой механических взвесей; отбирать
пробы воды на химический анализ.
Результатом гидрогеологической съемки горных выработок являются
планы обводненности подземных горных выработок или карьеров на пе-
риод обследования; установление закономерностей влияния различных
природных и горнотехнических факторов на обводненность горных выра-
боток.
При инженерно-геологическом обследовании шахт и карьеров требу-
ются: выяснить степень устойчивости различных типов пород в подзем-
ных горных выработках и бортах карьеров и развитие инженерно-геологи-
ческих явлений; установить влияние на устойчивость пород различных
природных и горнотехнических факторов, которое может быть учтено при
прогнозной инженерно-геологической оценке условий разведуемого
месторождения.
В состав инженерно-геологического обследования включаются: сбор
и обобщение материалов геологической и маркшейдерской служб шахт
(рудников); выборочная документация подземных горных выработок
и карьеров; выбор участков для постановки режимных наблюдений за
поведением пород с последующими периодическими наблюдениями за
Деформациями пород.
Сбору и анализу подлежат планы горных работ на различных горизон-
тах, журналы и акты регистрации возникающих деформаций горных выра-
боток. При обследовании горных выработок выявляются особенности
Распространения различных типов пород, условий их залегания, строения
горных массивов, трещиноватости пород, развития инженерно-геологичес-
ких явлений. Оценивают приуроченность инженерно-геологических явле-
39
ний к определенным типам пород, тектоническим нарушениям, зона1\,
интенсивной трещиноватости и раздробленности пород, выявляют законе
мерности изменения инженерно-геологических процессов и явлений <
глубиной.
При изучении опыта ведения открытых горных работ собирают еле
дующую геолого-маркшейдерскую документацию: планы горных pa6oi
карьера, данные об углах откосов, журналы и акты регистрации дефор
маций бортов карьера, сведения о размещении внутренних и внешних от
валов, их высоте, крутизне откосов, деформациях отвалов.
В процессе обследования карьеров, ведущегося с использованием
геологической основы масштаба 1:10ОО — 1:2000, документируются инже
нерно-геологические явления, их интенсивность и приуроченность к опре
деленным типам пород, разломам, уступам карьера, трещиноватым зонам
Изучаются трещиноватость и закарстованность пород в бортах карьера
Выявляются виды, количество, системы и генезис трещин, формы карсто
вых полостей, тип заполнителя, его свойства.
Проводят наблюдения за устойчивостью бортов и дна карьеров с целью
выявления факторов, снижающих устойчивость пород, установления
изменений в инженерно-геологической обстановке в карьере при углубле-
нии горных работ.
При обследовании шахт, карьеров и отвалов изучается влияние горных
работ на окружающую среду: изменение ландшафта, сокращение пло-
щадей угодий, загрязнение местности продуктами разрушения отвалов,
активизация экзогенных геологических процессов, изменение гидрогра-
фической сети и режима подземных вод, загрязнение природных вод.
Наблюдения при бурении скважин. В процессе бурения разведочных
гидрогеологических и инежнерно-геологических скважин и при перерывах
в их проходке ведутся наблюдения за появившимся и установившимся
уровнями подземных вод, величиной поглощения промывочной жидкос-
ти, провалами бурового инструмента, температурой подземных вод,
выходом газа, процентом выхода керна, изменением минерализации про-
мывочной жидкости, относительной скоростью бурения по различным
породам, прихватами бурового инструмента.
Результаты всех наблюдений записываются в буровые и специальные
коллекторские журналы. Наблюдения при бурении скважин важны
для получения массовой информации по всей разведуемой площади.
Полное восстановление статического уровня наблюдается после предвари-
тельной разглинизации скважины, особенно при проходке маломощных
водоносных горизонтов с низкой водопроводимостью. Разглинизация
водоносных горизонтов производится следующими методами: тартанием
желонкой, свабированием, промывкой водой в течение 1—2 смен, торпеди-
рованием и путем кратковременных интенсивных прокачек эрлифтами
или насосами.
В песчано-глинистых отложениях определение уровня, отбор пробы
воды и оценка фильтрационных свойств пород могут осуществляться
путем применения метода опережающего опробования. Он заключается
40
том, что фильтр-опробователь вводится в водоносный пласт через забой
скважины без удаления из нее глинистого раствора.
В самоизливающих скважинах измеряется дебит; статический уровень
воды измеряется в наращенной колонне обсадных труб выше поверхнос-
ти земли.
Интервал вскрытия водоносного горизонта может быть установлен по
частичному или полному поглощению промывочной жидкости или по
уменьшению ее вязкости. Эти наблюдения имеют значение в основном при
бурении полускальных и скальных пород.
Наблюдения за провалами бурового инструмента важны при бурении
скважин в карстующихся породах и на участках развития тектонических
нарушений. В интервалах провалов бурового инструмента часто отмеча-
ется повышенное поглощение промывочной жидкости.
Температура воды определяется для всех вскрываемых водоносных
горизонтов, она может определяться при перерывах в бурении вблизи
забоя скважины. Наиболее точные значения температуры получаются
примерно через 20—30 сут после прекращения бурения, когда в скважине
восстанавливается естественный температурный режим.
При вскрытии подземных вод, насыщенных газов, обычно наблюдает-
ся его выделение из воды. Отбор выделяющихся газов производится с
помощью широкой жестяной воронки, из которой газ через каучуковую
трубку поступает в бутыль, наполненную водой и опрокинутую над водя-
ной ванной. Иногда расход газа замеряется объемным способом при пред-
варительном каптаже газа.
Приближенную косвенную оценку состояния пробуренных пород и их
трещиноватости проводят исходя из полноты выхода керна и его состоя-
ния. По выходу керна и величине поглощения промывочной жидкости
делаются первые заключения об изменении водопроницаемости пород с
глубиной.
Изменение минерализации промывочной жидкости, замеряемое на
устье скважины (содержание характерных ионов, например, хлора, суль-
фат-иона, брома и т.п.), используется для оперативного слежения за
вскрытием горизонтов подземных вод, характеризующихся повышенной
соленостью.
Изучение керна скважин. Гидрогеологическое и инженерно-геологичес-
кое изучение керна скважин является составной частью их геологического
исследования и документации. Изучение керна в комплексе с данными
наблюдений в процессе бурения скважин и материалами каротажных ра-
бот должно дать информацию о гидрогеологических и инженерно-геологи-
ческих особенностях массива. В частности, должны быть: установлены
Участки с различной степенью трещиноватости пород; выявлены водонос-
ные породы с повышенной трещиноватостью и кавернозностью; определе-
на распространенность пород, характеризующихся различными физико-
механическими свойствами; зафиксированы тектонические нарушения,
являющиеся потенциальными плоскостями ослабления массивов пород;
п° косвенным признакам выделены участки повышенных напряжений в
массиве пород.
41
Изучение керна должно выполняться сразу после его подъема с забоя
скважины. С целью выявления изменения свойств пород во времени
производится повторное изучение керна. Периодичность повторных
наблюдений установливается опытным путем. При описании рекомендует-
ся использовать эталонные коллекции, составленные из образцов, харак-
терных для района типов пород, исследованных микроскопически и с
установленными минеральным составом и параметрами физико-механи-
ческих свойств.
Описание пород по керну производится в соответствии с формой жур-
нала документации (табл. 1). При описании скальных и полускальных по-
род выделяют зернистую, чешуйчатую (пластинчатую), аморфную, слив-
ную и другие разновидности структур; массивную, слоистую, плитчатую,
сланцеватую и другие текстуры. Для несвязных пород указывают зернис-
тость, признаки уплотненности, наличие прослоев и включений; в мерз-
лых породах — размеры, форму и положение включений льда, криогенную
текстуру.
При документации керна фиксируются признаки физического и хими-
ческого выветривания (выщелачивание, образование трещин выветрива-
ния, изменение окраски, выделения в виде пленок, корок, выцветов ми-
нералов и соединений зон окисления — гидроксиды железа, оксиды мар-
ганца, калия и т.д.), снижение механической прочности и дезинтеграция
пород и т.п. Определяются зоны рассланцевания, брекчирования и дробле-
ния пород, наличие зеркал и борозд скольжения, глинки трения, милони-
тизированного материала, степень их проявлений, мощность. Дается ха-
рактеристика трещиноватости.
В слоистых толщах, имеющих спокойное моноклинальное залегание,
пространственную ориентировку трещин можно определять, используя
данные об ориентировке слоя пород. В сложно дислоцированных толщах
пород необходимо фиксировать угол наклона трещин к плоскости слоис-
тости и к оси керна.
При документации и в процессе обработки данных выделяют системы
трещин по генезису, ориентировке, их количественные соотношения. Мо-
дуль трещиноватости определяется как отдельно для выделенных систем
трещин, так и общий для всех систем.
Степень монолитности пород может оцениваться по проценту выхода
керна, кусковатости и по показателю состояния пород в керне RQD,
выраженному суммарным выходом керна в столбиках, длина которых
больше 0,1 м, в процентах от длины рейса.
При документации раздробленного керна указываются характер раз-
дробленного материала (щебень, дресва, глинка трения) и причина дроб-
ления керна — трещиноватость, низкая прочность породы.
При изучении закарстованных пород по керну скважин отмечают ка-
вернозность, разрушенность пород в связи с выщелачиванием, признаки
наличия карстовых полостей (здесь особенно важно фиксировать провалы
бурового инструмента), их заполнитель (состав, мощность, свойства).
Определяют процент общей закарстованности пород по отношению доли
карстовых полостей по скважине к общей длине керна.
42
Табпица А
Журнал полевой инженерно-геологическои документации горных пород по керну скважин
I	«-	! ГТ	• А 1	I ОС а? 	।
Пробурено, от—до, м	Выход м	CD 0) Время бурения (про- должительность) , ч	Категория буримости пород I	Индекс отложений 1		Интервал инженерно- геологического опи- сания, от—до, м	Процент выхода керна
1	2	3	4	5	6		7	8
Описание пород (наз вание, состав, струк- тура, текстура, слоис тосгть и т д ) Азимут паде- g О ния, градус	“ о 		5		ГО	Ц Угол падения,	®	о угол к оси	о	v керна, градус	н	Вторичные изменени пород (окварцевани! карбонатизация, хло ритизация, серитиза- ция и т.п. —I Морфология	ф трещин	——	  -j- Состав и мощ-	о CD ность заполни-	го теля	° -4 Генезис, кинема-	□ о тическии тип	-д
9	10 I	11	12	,13	14	15
Продолжение табл. 1
Элементы залегания		Число трещин	Модуль трещиноватости	5 'о. н Q. 2	Закарстованность пород	Состояние керна			f Интервалы раз- дробленного керна		Расслоение				
Азимут па- дения слоис- тости, гра- дус	Угол паде- ния, угол слоистости к оси кер- на, градус					Кусковатость (число столбиков)	। Модуль кускова- ( ТОСТИ, М^, ст/м I	к [ 		RQD, %			Начальный коэффи-	циент расслоения, ст/м	Коэффициент рас- слоения по времени	Опробование (но- мер пробы)	Примечание
									от—до, м	МОЩНОСТЬ, м					
16	'	1 7	18	19 I		20 I	21	22 1	23 ।	24	25 |		26	27 	1	28	29
						; i ' i ! I ;									
При документации керна следует отмечать диаметр и общее состояние
керна по скважине, формы разрушения столбиков, легкость разрушения
керна при ударе молотком. Особо описываются случаи деления пород
массивной текстуры в керне на диски (плашки) выпукло-вогнутой фор-
мы, мощность такого интервала, толщина плашек. Такое деление керна
является признаком наличия напряжений в соответствующих частях мае
сива пород. Одновременно с документацией проводятся полевые уско-
ренные определения некоторых физико-механических свойств пород по
керну.
Скорость выветривания (расслоения) глинистых и полускальных по
род изучается путем подсчета количества столбиков, плашек на 1 м керна,
образовавшихся с течением времени, например через 10, 20, 30 сут [18] .
Изучение геологоразведочных горных выработок. Гидрогеологическое
и инженерно-геологическое изучение горных выработок (канав, шурфов,
штолен, стволов и подземных выработок разведочных шахт) и соответ
ствующая документация производятся при их проходке. В последующем
выполняются повторные (4—5 раз за период разведки месторождения)
обследования горных выработок или выборочно съемки масштаба
1:1000 — 1:5000, при которых документируются изменения состояния
горных пород, крепи горных выработок и характер их обводненности,
а также инженерно-геологические явления в горных выработках.
При слабой изменчивости нарушенности и вещественного состава по-
род документация выполняется на характерных эталонных площадках
размером 2-5 м2. На участках интенсивной изменчивости состава и нару-
шенности пород, обычно наблюдающихся в выработках, ориентированных
вкрест простирания структур, вблизи контактов с полезным ископаемым
и крупных тектонических нарушений документацию рекомендуется про-
водить непрерывно и пометражно.
При инженерно-геологическом документировании описывают породы,
их состав, вторичные изменения, выветривание, структуру, текстуру, ус-
ловия залегания, формы отдельности, контакты пород. Фиксируются все
виды поверхностей и зон ослабления: напластования, сланцеватости, тре-
щин, тектонических нарушений, брекчирования, дробления, контактов
пород и руд.
При описании слоистости, сланцеватости отмечают характер поверх-
ностей, делимость пород по ним, тип слоистости, частоту (мощность слоев
или класс сланцеватости), пространственную ориентировку (азимуты па-
дения, простирания, углы падения) .
Характеристика зон тектонических нарушений, дробления, брекчиро-
вания включает определение их мощности и строения, состав пород, сте-
пень их изменения и физическое состояние (рассланцевание, смятие,
обломочный материал, милонит, глинка трения) , пространственную ориен-
тировку стенок зоны, наличие, взаимное положение и ориентировку опе-
ряющих трещин, зеркал, штрихов и борозд скольжения.
Трещины описываются и классифицируются по морфологии стенок,
материалу и мощности заполнителя, генезису, кинематике тектоничес-
ких трещин (сколовые и отрывные), пространственной ориентировке,
44
лротяженности и ширине раскрытия трещин. Исходя из ориентировки
трещин по сторонам света и по отношению к слоистости определяют
системы трещин, их количественные соотношения.
Определяется линейный (число трещин на один метр стенки выработ-
ки) или площадной (число трещин на 1 м2) модуль трещиноватости от-
дельно для каждой из выделенных систем трещин или общий для них.
На эталонных площадках определяется также и коэффициент трещин-
ной пустотности, представляющий собой отношение суммарной площади
трещин к площади площадки.
На основании наблюдений оценивают блочность массива пород и сте-
пень влияния трещиноватости на поведение пород в горных выработках.
В выработках фиксируют и описывают карстовые процессы и их формы
(размеры, наличие и характер заполнителя, связь с составом пород, струк-
турой, трещиноватостью).
Изучаются инженерно-геологические процессы и явления — обрушение,
сдвижение пород, вывалы, пучение, вынос рыхлого, рудного материала
или заполнителя из карстовых полостей, горные удары, внезапные выбро-
сы и т.д., а также их интенсивность и объемы. Выявляется зависимость
различных инженерно-геологических явлений от природных и горнотех-
нических факторов.
Одновременно с документацией отбираются монолиты (штуфы) для
лабораторного изучения физико-механических свойств пород и проводят-
ся полевые определения свойств пород. Данные документации горных
выработок заносятся в журналы и наносятся в условных знаках на пого-
ризонтные планы горных выработок в масштабах 1:500 — 1:2000 (реже
1:5000- 1:10 000).
В состав гидрогеологической документации входят: описание обвод-
ненности горной выработки; регистрация водопроявлений в их простран-
ственной привязке и приуроченности к определенным разностям пород,
их контактам, тектоническим нарушениям и карсту; описание характера,
условий и интенсивности выхода воды, по шпурам и скважинам отмечает-
ся глубина появления воды при их бурении; разовый замер дебита отдель-
ных водопроявлений и по выработке в целом; наблюдения за продолжи-
тельностью действия водопроявлений, выносом песчаных частиц, включая
выносы при бурении шпуров и скважин; отбор проб воды на анализы,
замер температуры воды. Вся информация о водопроявлениях с необходи-
мыми зарисовками отмечается в журнале (дневнике) гидрогеологической
Документации горных выработок с последующим нанесением на геолого-
Маркшейдерские планы. Важен учет общего количества воды, дренируе-
мой подземной выработкой. Для этого в начальный период проходки ор-
ганизуется головной водомерный пост.
Притоки воды в горные выработки определяются следующими мето-
дами: по производительности насосов, в этом случае необходимо устано-
вить действительную мощность насосов опытным путем; по водомеру,
Установленному на нагнетательной трубе насоса; по времени восстановле-
ния уровня воды в водосборнике при остановке насоса; по водосливу
6 Дренажных канавах; путем устройства на поверхности земли емкости с
в°Аосливом.
45
Замеры притока подземных вод с отбором проб воды для лаборатор
них анализов, замеры температуры воды и воздуха выполняются: при
пересечении горными выработками водоносных горизонтов и водообиль
ных зон; при вскрытии выработками одного и того же водоносного гори
зонта (зоны) на разных горизонтах горных работ; на участках характер-
ных структурных элементов, а также проявления интенсивного карста;
в зонах резкого изменения литологического состава пород, структурных
изменений пластов, на контакте различных пород; при прорывах воды,
посадке кровли, размыве почвы выработок; при проходке выработок под
поверхностными водотоками, водоемами и старыми горными выработ-
ками; на участках концентрированных выходов подземных вод с боль-
шим дебитом.
Весьма важно наблюдения за водопритоками в горные выработки увя-
зать с наблюдениями за режимом уровней подземных вод в целях исполь-
зования данных для расчета гидрогеологических параметров водоносных
горизонтов, зон. Итоговым документом этого вида работ являются по
горизонтные планы обводненности горных выработок, составленные на
геолого-маркшейдерской основе. Гидрогеологическая информация и ин-
женерно-геологическая документация сопоставляются и увязываются
между собой. На планах обводненности важно отражать водопроявления
(дебит, химический состав и температуру воды), возникающие непосред-
ственно в момент проходки подземных горных выработок, и их основные
изменения в последующее время.
По результатам гидрогеологической документации выбираются участ-
ки для постановки стационарных гидрогеологических наблюдений. При
этом по возможности следует совмещать участки для комплексного изу-
чения гидрогеологических и инженерно-геологических явлений в горных
выработках.
Изучение прочностных и деформационных свойств пород полевыми
методами. Полевые методы оценки свойств пород позволяют исследовать
породы в условиях естественного залегания или максимально к ним приб-
лиженных. Изучение свойств пород значительно облегчается при исполь-
зовании передвижных полевых лабораторий, в частности разработанных
гидрорежимной экспедицией Мингео РСФСР и ВНИГРИуголь при участии
ВСЕГИНГЕО (для скальных пород), и пенетрационно-каротажных стан-
ций СПК (для несвязных и связных пород) .
Применение полевых методов позволяет: приближенно оценивать
свойства пород, как правило, без предварительной механической обработ-
ки проб; осуществлять массовые определения свойств пород по всему
геологическому разрезу, а затем, определив по данному показателю необ-
ходимое число проб [3], целенаправленно отбирать пробы для лаборатор-
ных испытаний; выявлять особенности пространственного расположения
породе различными свойствами.
Динамическая твердость пород может определяться различными
методами [22] . С помощью эталонного молотка она оценивается по вели-
чине отношения диаметра отпечатка шарика, вдавливаемого в породу, к
диаметру отпечатка, получаемого одновременно на эталонном металличес-
46
ком стержне. Для пород с ясно выраженной анизотропией состава или
строения испытания следует проводить по линиям максимальной измен-
чивости.
По результатам строятся графики парной корреляции между показате-
лем, определяемым эталонным молотком, и прочностью при одноосном
сжатии. Высокие значения коэффициента корреляции (0,8—0,9) позволя-
ют использовать полученные корреляционные кривые для определения
в полевых условиях прочности пород при одноосном сжатии без проведе-
ния лабораторных испытаний.
Другой метод основан на измерении энергии, требуемой для внедрения
пуансона определенной длины (ударник ДОРНИИ). За показатель твер-
дости принимается число ударов, необходимое для полного внедрения
пуансона. Этот же принцип использован в приборе, разработанном во
ВНИМИ.
Метод определения с помощью прибора В.П. Шубина основан на изме-
рении величины отпечатка при ударе бойка о породу с углом при вершине
90°.
Показатель динамической твердости вычисляется по формуле Нд =
= (Gh)/Уотн, где G — масса бойка; h — высота подъема бойка; Уотн —
объем полученной лунки. Этот метод требует измерения диаметра лунки
под микроскопом с точностью до 5 мкм.
Сущность метода Шора с использованием склероскопа заключается
в измерениях местного контактного упрочения или разрушения при пов-
торных динамических вдавливаниях бойков со сферической рабочей
поверхностью и по средней высоте отскока бойка при многократных
сбрасываниях в разные места образца.
Отношение высоты отскока к высоте сбрасывания называют коэффи-
циентом отскока, который характеризует упругие свойства пород:
Хупл
^пр
^пр
100%,
где /7пр — высота отскока после первого удара; hn — наибольшая (наи-
меньшая) высота отскока после повторных ударов. Образцы горной по-
роды могут иметь любую форму в плане, при этом две плоскости должны
быть параллельными. Толщина образца берется обычно 40—50 мм. При
проведении опыта образец должен быть прочно зажат.
Могут применяться также прибор ИРС-1 и склероскоп Тархова. Опре-
деляемый показатель оценивается по средним арифметическим показа-
телям величины отскока бойка.
При использовании ударного молотка Шмидта замеряется величина
отскока стального шарика (или штока) от испытуемой поверхности.
Шкала, по которой производится отсчет показателей, находится на кор-
пусе прибора.
Для испытания как прочных, так и слабых разностей пород презназ-
начен динамический пробник-твердомер (ППТ), разработанный во
ВСЕГИНГЕО. Принцип его работы заключается во внедрении в породу
47
бойка и образовании при этом лунки выкола. Глубина внедрения бойка
с точностью до сотых долей миллиметра замеряется индикатором часово-
го типа.
Внесистемный показатель динамической твердости вычисляется по
формуле 7"в = (PH) /V, где Р — масса груза; Н — высота подъема груза
V — объем полученной лунки.
На каждом образце проводят десять единичных испытаний, по кото-
рым рассчитывается среднее значение.
К методу определения статической твердости пород относится
определение контактной прочности. Методика разработана в Институте
горного дела им. А.А. Скочинского. Определения производятся на при
боре УМГП-3. Образцы пород испытываются путем вдавливания твердо-
сплавного штампа в необработанную, с естественной шероховатостью
поверхность образца. Регистрируемой величиной при испытании является
усилие, необходимое для образования лунки выкола.
Показатель контактной прочности Р рассчитывается по формуле
Р = ЪР/п, где п — число замеров.
Этот метод наиболее применим для изучения сравнительно малопроч
ных пород (до 30 МПа).
Для скальных и полускальных пород определение прочности на сжатие
и разрыв (ГОСТ 21153.4—75) в полевых условиях производится на усо
вершенствованном ВСЕГИНГЕО стандартном гидравлическом прессе с
осевым усилием 4 т. Пресс снабжен приспособлением для определения
предела прочности при многократном раскалывании и сжатии. Испытания
могут проводиться лишь на образцах с двумя параллельными поверхнос
тями.
Для несвязных и связных пород прочностные характеристики (сопро
тивление сдвигу, сцепление, угол внутреннего трения) рекомендуется
определять следующими полевыми методами [43] : опытными сдвигами
на полевых приборах и установках: опытными обрушениями и выпира
ниями в шурфах: полевыми испытаниями на срез в скважинах и массиве;
статическим и динамическим зондированием, искиметрией; пенетрацион-
ным каротажем. Испытания должны проводиться в соответствии с требо
ваниями ГОСТ 21719-80, ГОСТ 20069-75, ГОСТ 19912-81, ГОСТ
23741-79, ГОСТ 25260-82, ГОСТ 12288-66.
Для проведения испытаний рекомендуются следующие приборы и
оборудования: полевые сдвижные установки конструкции ПНИИС,
Фундаментпроекта, НИИОСП, УПИ, ВНИМИ; лопастные приборы — ло
пастная установка ЦНИИС-2, лопастный прибор Калининского политехни
ческого института СК-3, прибор НИИОСП Уральского политехнического
института и др.; установки зондирования: динамического — УПБ-151У
Гидропроекта, ручной динамический зонд ЦНИИС, ручной динамический
зонд ВСЕГИНГЕО; статического — установка Фундаментпроекта С-979,
установка ЦНИИС, зондировочная установка БашНИИстроя С-832 и др.;
прессиометры конструкции Фундаментпроекта ПС-1, Уральского поли-
технического института П-89, ВСЕГИНГЕО ИГП-21 и др.; пенетрационно
каротажные станции СПК, СП К-Т,
48
Деформационные характеристики (модуль общей деформации, мо-
ль осадки) частично определяются теми же полевыми методами и на
тех же приборах, что и прочностные (прессиометры, полевые испытания на
срез в скважинах и горных выработках), частично другими — штамповые
испытания в скважинах и горных выработках. Испытания и обработка
полученных результатов должны проводиться в соответствии с требова-
ниями ГОСТ 21719—80, ГОСТ 20276-74, ГОСТ 12374-77. Для получения
деформационных характеристик, кроме приборов, указанных выше,
рекомендуется использование свайных и распорных штамповых уста-
новок конструкции ПНИИС, Уральского политехнического института
И ДР-
Другие виды полевых исследований, такие как определение величины
порового давления, нейтронный метод измерения влажности по ГОСТ
24181—80, методы радиоизотопного определения объемного веса по ГОСТ
23061—78, методы полевых испытаний проницаемости по ГОСТ 23278—78,
для мерзлых грунтов по ГОСТ 25499—82, ГОСТ 25358—82 используются
при разведке месторождений весьма ограниченно.
Опробование пород для лабораторного определения их свойств. Инже-
нерно-геологическое опробование осуществляется с целью получения рас-
четных значений параметров физико-механических и других свойств по-
лезных ископаемых и вмещающих пород. Опробованием должны охваты-
ваться породы, находящиеся в области взаимодействия будущих горных
выработок с геологической средой.
На месторождениях, намечаемых к разработке открытым способом,
необходимо опробовать породы в пределах площади возможного сдвиже-
ния бортов будущих карьеров [20]. Границы площадей проводятся за
контуром промышленных запасов на расстоянии L: L = Hctg a + а, где
Н — глубина карьера (высота борта) : a — ориентировочная величина угла
наклона борта: а — ширина призмы возможного обрушения борта, прини-
маемая равной (0,1—0,2) Н — при наклонном несогласном залегании по-
род (висячий бок), (0,2—0,3) Н — при наклонном согласном залегании
пород (лежачий бок), (0,3—0,4) Н — при горизонтальном залегании.
При подземном способе разработки месторождения площадь опробо-
вания определяется площадью шахтных полей и величинами углов сдвиже-
ния пород над выработанным пространством [20].
Система опробования должна обеспечивать получение статистически
достоверных расчетных данных для всех инженерно-геологических эле-
ментов, выделяемых на месторождении.
Под инженерно-геологическим элементом следует понимать геологи-
ческие тела (слои, пачки, толщи, дайки, жилы, зоны тектонической на-
рушенное™ и дробления, расслоения, геотермических изменений, вы-
ветривания) , представленные породами одной петрографической разно-
видности и характеризующиеся незакономерной изменчивостью инженер-
иотеологических свойств, которой можно пренебречь при решении прак-
тических задач (ГОСТ 20522—75). В состав инженерно-геологического
элемента могут быть объединены и пространственно разобщенные, но гео-
логически родственные тела.
4-5190
49
В состав работ при опробовании входят: определение необходимого
числа проб для достоверной характеристики и оценки свойств пород,
определение плана расположения мест отбора проб, выбор интервалов
опробования и отбор проб. Определение оптимально необходимого числа
проб для представительной оценки свойств пород производится после вь .
деления в геологическом разрезе всех предназначенных для опробование
инженернотеологических элементов.
В производственной практике необходимое число проб устанавливает-
ся обычно эмпирическим путем на основании обобщения имеющегося
опыта. Согласно СНиП 11—15—74, минимальное число определений для
каждого выделенного однородного слоя, зоны, подзоны должно состав
лять 6; для некоторых показателей (в частности, модуля общей деформа-
ции) - 3.
В качестве основного и научно обоснованного метода определения не-
обходимого числа проб горных пород можно рекомендовать приближен-
но-статистический метод [43] . Для различных петрографических типов
пород оптимальное число проб может не превышать 25.
При наличии материалов, позволяющих судить о степени и характере
изменчивости пород, для определения необходимого числа проб и получе-
ния надежных расчетных параметров свойств можно пользоваться вероят-
ностно-статистическим методом доверительных пределов, поскольку по-
казатели физико-механических свойств в подавляющем большинстве слу-
чаев имеют нормальное распределение.
Для применения этого метода необходимо располагать сведениями о
фактической изменчивости показателей, об относительной погрешности
определения среднего значения и требуемой надежности показателя. Для
изучения степени неоднородности используются данные определения по-
казателей физико-механических свойств пород на предшествующих ста-
диях разведки или ускоренными полевыми методами. Требуемая надеж-
ность показателя, выражаемая величиной доверительной вероятности, на
стадии предварительных исследований обычно принимается равной 0,85—
0,90, на стадии детальных работ — 0,95.
Необходимое число проб определяется по формуле математической
2	I/2
статистики: п = Г , где п - необходимое число проб: V - коэффици-
ент вариации: £ — допустимая погрешность (точность определения показа-
теля свойств) : t — нормированное отклонение (равное 1,65 и 1,95 для зна-
чений доверительной вероятности 0,90 и 0,95). Для выбора расчетных ве-
личин следует использовать таблицы и номограммы, рекомендуемые
ГОСТ 20522-75. Для определения числа проб можно также использовать
метод последовательного анализа по А.Вальду [43].
Опробованием должен быть охвачен каждый участок, отличающийся
инженерно-геологическими особенностями. При этом не может быть одно-
значного решения о необходимом числе скважин для месторождений,
расположенных в разных геолого-структурных условиях. Для выработ-
ки оптимальной плотности опробования на месторождениях различного
типа рекомендуется выполнять специальные исследования.
50
Для обоснованного выбора скважин, по которым наиболее целесо-
образно исследовать породы, рекомендуется составлять предварительные
карты с изображением контуров распространения основных лигологичес-
ких и петрографических типов пород. Все выделенные на картах участки
должны быть исследованы относительно равномерно с учетом простран-
ственной изменчивости пород. Выбор или заложение скважин должны
проводиться на основе принятой разведочной сети. Необходимо предус-
мотреть скважины на участках заложения шахтных стволов и около-
ствольных дворов.
Требуется учитывать анизотропию изменчивости свойств пород. С
целью количественного выражения различий вариации физико-механичес-
ких показателей по разным направлениям следует подсчитывать модуль
анизотропии м [8] : /л = Vi/V2, где Vx — коэффициент вариации показа-
теля в направлении наибольшей изменчивости, V2 — то же в направле-
нии наименьшей изменчивости.
Располагая данными о величине модуля анизотропии, можно подсчи-
тать наиболее рациональные расстояния между точками опробования по
формулам: At = —--------; Д2 = '"'*1. Д, гДе Дь Д2 - расстояния между
Д	уп
точками опробования по взаимно перпендикулярным направлениям наи-
большей и наименьшей изменчивости: zx,z2— размеры опробуемых
геологических тел по этим же направлениям; ц — модуль анизотропии;
л — предварительно подсчитанное необходимое число проб.
Рациональная сеть опробуемых скважин в общем случае должна быть,
как видно, прямоугольной (Д! Ф Д2) и лишь в частных случаях может
быть квадратной (Дх = Д2). В общем случае в зависимости от особеннос-
тей инженерно-геологических условий количество опробуемых скважин
на месторождении может составить от 10 до 25 % числа всех пробуренных
при разведке.
При опробовании пород в разрезе должны выделяться интервалы об-
щего и детального изучения физико-механических свойств. Интервалы
общего изучения располагаются вне зон возможного обрушения. Опро-
буется каждый слой мощностью более 1 м. При опробовании связных и
несвязных пород покровных отложений пробы отбираются через 4—5 м
проходки скважин. В случае неоднородности литологического состава
интервалы отбора проб сокращаются. Для скальных и полускальных по-
род пробы отбираются из каждой петрофизической разности в количестве:
4—6 проб в случае однородных и 6—8 проб — неоднородных пород.
Детально изучаются физико-механические свойства в пределах прикон-
тактовых зон другого тела, а для пластовых месторождений — в пределах
зоны возможного обрушения, равной 4—10 кратной мощности пласта.
Под детальным изучением понимается изучение каждого литологически
обособленного слоя или петрографической разновидности мощностью
более 0,5—1,5 м. Для пластовых, в частности угольных, месторождений
предусматривается отдельное изучение слоев или петрографических
разновидностей мощностью от 0,1 до 0,3 м, залегающих непосредственно
на контакте с полезным ископаемым.
51
Пробы отбираются для лабораторных определений свойств пород и
изготовления шлифов для изучения петрографического состава пород.
Отбор производится из керна скважин, а также в виде монолитов из по-
верхностных и подземных горных выработок, естественных откосов и
обнажений согласно ГОСТ 21 153.0—75, ГОСТ 12071—72 в процессе инже-
нерно-геологической документации.
Под керновой пробой понимается один или несколько кусков керно-
вого материала, отобранного из скважины в пределах одного слоя поро-
ды, одной петрографической разности. Минимальный диаметр керновых
проб скальных пород 40—42 мм. При глубине скважин более 800 м допус-
кается использование проб меньшего диаметра. Минимальный диаметр
проб связных пород — 80—100 мм. Общая длина пробы для лабораторных
исследований по полному комплексу должна составлять 150—170 см.
Длина отдельных кусков керна в пробе не менее 10—15 см. Для анализов
пород по сокращенному комплексу длина проб 60—80 см.
Размеры монолитов могут изменяться в зависимости от инженерно-
геологического типа пород от 15x15x15 см для песчаных и глинистых до
30x30x30 см для скальных и полускальных. Монолиты могут иметь фор-
му куба, параллелепипеда или штуфа неправильной формы. Отбор моно-
литов скальных и полускальных пород осуществляется путем вырезания,
выпиливания, обработки зубилом, сохраняя при этом естественное сложе-
ние породы.
Отбор проб связных и слабосвязных пород производится в скважинах
при помощи обуривающих грунтоносов. Допускается отбор плотных
глинистых пород непосредственно из керна при условии применения боль-
ших диаметров бурового инструмента (более 100 мм). При изучении
месторождений, приуроченных к скальным и полускальным породам,
бурение геологоразведочнь1х скважин с отбором керна и обеспечением
высокого процента его выхода (не менее 80 %), как правило, удовлет-
воряет требованиям отбора инженерно-геологических проб. Пробы полу-
скальных, связных и слабосвязных пород изолируются от окружающего
воздуха (парафинируются) немедленно после подъема из скважины.
Пробы мерзлых пород для определения величины суммарной влажнос-
ти пород, объемной массы, гранулометрического состава пород, а также
величины осадок при оттаивании без нагрузки и под нагрузкой необ-
ходимо отбирать сразу же после подъема керна, не допуская оттаивания
пород.
Образцы, отбираемые для петрографических исследований, должны
быть максимально приближены по составу ко всей пробе в целом. Каждая
проба, отобранная на определение физико-механических свойств, должна
быть охарактеризована одним, а в случае сильной изменчивости породы
несколькими шлифами. Рекомендуется также отбирать образцы для сос-
тавления эталонных коллекций.
Отбор проб воды. Отбор проб воды производится на всех стадиях раз-
ведки для изучения химического состава (включая растворенные газы)
вод, производства изотопных, бактериологических и других анализов.
При отборе проб воды из горных выработок (скважин, колодцев
52
и т.п.) обязательно проводятся прокачка или желонирование. Объем
откачиваемой воды должен превышать в два раза объем воды, содержа-
щейся в выработке до начала откачки. При откачках (одиночных и кус-
товых) отбор проб воды на химический анализ производится, как мини-
мум, в конце каждого понижения уровня. Пробы воды из скважин от-
бираются с помощью желонок или специальных пробоотборников (ГОСТ
17.1.5.04—81). Первые применяются в случае вскрытия скважиной одного
водоносного горизонта при тщательной изоляции его от других. При фон-
танировании скважин пробы берутся непосредственно из струи воды через
1—2 ч после начала фонтанирования. Во время откачек пробы воды отби-
раются из струи насоса.
Количество воды, потребное для анализа, зависит от требуемой точ-
ности и назначения анализов, степени минерализации воды. Объем пробы
следует согласовывать с лабораториями, которые будут выполнять ана-
лизы. Так, в зависимости от общей минерализации объем пробы для пол-
ного анализа колеблется от 1 до 2 л, для сокращенного — от 0,5 до 1,5 л
и для полевого — от 0,25 до 0,5 л (СТ СЭВ 4285—84). Отбор проб воды
для анализов должен сопровождаться измерением температуры. Посуда
с пробой воды герметизируется сургучом или парафином. Пробы воды,
предназначенные для бактериологических анализов, отбираются в сосуды,
полученные в санэпидемстанции. Отбор, хранение и транспортировка
проб воды, оцениваемой с позиций хозяйственно-питьевого и промышлен-
ного водоснабжения, осуществляются в соответствии с ГОСТ 24481—80.
Непосредственно при отборе проб воды производится определение
неустойчивых компонентов химического состава и физических показате-
лей (НСО3~, нитраты, СО2, О2, H2S, Гео6щ, , органолептических пока-
зателей (цвета, вкуса, запаха, прозрачности), температуры, наличия взве-
сей и коллоидной составляющей. Для этого может использоваться лабора-
тория ПЛАВ.
Пробы воды на тритий, дейтерий и кислород-18 отбираются так же,
как на общий химический анализ. На тритий требуется проба объемом 1 л
(две поллитровых емкости), эта же проба используется и для анализа
на дейтерий. Если дейтерий и кислород-18 определяются в другой лабо-
ратории, то воду объемом 50 мл отбирают в медицинские флакончики,
емкость заполняется водой по самое горлышко, закупоривается притер-
тыми пробками и запечатывается сургучом. Пробы на углерод и уран от-
бираются путем переработки исходных объемов воды на месте отбора.
Углерод на изотопный анализ отбирают введением в исходную пробу
хлористого кальция с подкислением и последующим осаждением карбо-
ната кальция в полиэтиленовых емкостях объемом 30—50 л. В зависи-
мости от карбонатности воды, для получения пробы требуется перерабо-
тать от 100 до 1000 л и более исходной пробы. Осаждение урана произво-
дят на активированном угле или на хлористом железе. Радон также осаж-
дают в поле из проб объемом 0,5 л по специальной технологии [41].
Для определения содержания в воде газов применяется псевдобаро-
метр. В простейшем случае для отбора пробы трубку, по которой посту-
пает отбираемая вода, например, из трубы насоса, опускают до дна склян-
53
ки и, наполнив склянку водой, дают воде выливаться через край, пока
вода в склянке не сменится несколько раз. В скважинах пробы указан-
ного назначения отбираются с помощью пробоотборников. Выделяющийся
из воды газ отбирается в опрокинутую над слоем воды емкость по методу
вытеснения из нее воды газом, поступающим через трубку.
Любая проба воды должна иметь паспорт, в котором указываются
дата и час взятия пробы, точный адрес водоисточника и места взятия про-
бы, подробное описание водоисточника и условий взятия пробы, объем
пробы и для какой цели взята проба. Если взята специальная проба, то
указывается, какой реактив и в каком количестве добавлен в пробу.
Геофизические исследования (полевые и в скважинах) *. Полевые
(наземные) геофизические исследования проводятся методами электро-
разведки (в различных модификациях), сейсморазведки, грави- и магни-
торазведки и др. Наиболее широко применяются методы электроразведки
(ВЭЗ, ЕП, ВЭЗ ВП, электропрофилирование) и в меньшей степени сейс-
моразведки [30].
Эффективные результаты при изучении гидрогеологических и инже-
нерно-геологических условий месторождений могут быть получены при
комплексном использовании различных полевых геофизических исследо-
ваний. Они должны опережать буровые работы. Их результаты исполь-
зуются для обоснования мест заложения гидрогеологических и инженер-
но-геологических скважин.
Геофизические методы привлекаются для выявления и изучения:
распространения и мощности покровных отложений и древних кор
выветривания; могут выполняться, например, методами электропрофили-
рования (ЭП) и сейсморазведки;
расчленения геологического разреза по литологическому составу,
влажности и температуре пород, а также установления глубин залега-
ния водоносных и водоупорных пластов — методом вертикального элек-
трического зондирования (ВЭЗ) ;
глубин залегания пород кристаллического фундамента на платформ-
мах — методами сейсморазведки (в модификации отраженных и прелом-
ленных волн);
массивов переслаивающихся обломочных пород с целью их расчлене-
ния; на глубинах 500—600 м производится методами ВЭЗ и сейсмо-
разведки, а на меньших глубинах — методами ВЭЗ и ЭП. При от-
носительной монолитности разреза — ВЭЗ в сочетании с методом вызван-
ных потенциалов (ВП) ;
разломов под толщей рыхлых обомочных пород — корреляционным
методом преломленных волн (КМПВ) ;
трещиноватости и закарстованности карбонатных пород, включая
прослеживание этих пород и выявление погребенных карстовых воро-
нок, — методами ВЭЗ, круговых вертикальных электрических зондиро-
ваний (КВЭЗ), ВЭЗ совместно с методом вызванной поляризации (ВП),
комбинацией ЭП и ВП или ЭП вместе с КМПВ;
карстовых полостей, находящихся за стенками разведочных горных
* Раздел составлен совместно с В.В. Поповым и А.М. Синеоким.
54
выработок “ методами ЭП по стенкам выработки, а также радиоволново-
го профилирования и радиоволнового просвечивания;
трещинных зон крупных тектонических нарушений — методами сим-
метричного, комбинированного и дипольного электропрофилирования;
изменение трещиноватости в горизонтальном направлении может изучать-
ся этими же методами в сочетании с методом дипольного индуктивного
профилирования или методом радиокип;
зон тектонических разломов пород кристаллического фундамента —
методом дипольного электропрофилирования;
зон разломов в однородных массивах — методами ЭП, естественных
потенциалов (ЕП), вызванных потенциалов, сейсмо-, магнито- и грави-
разведкой;
развития островной мерзлоты — методом ЭП, радиокип, аппаратурой
СДВР;
определения кровли и подошвы толщи мерзлых пород — методами
сейсморазведки;
горизонтов межмерзлотных и подмерзлотных вод — методом ВЭЗ;
водоносных пород сквозных таликов — методами ВЭЗ и ВЭЗ в комби-
нации с ВП;
определения глубины залегания уровня подземных вод — комбина-
цией методов ВЭЗ и преломленных волн (МПВ) ;
определения границы между пресными и минерализованными вода-
ми — методом ВЭЗ в комплексе с электрокаротажем скважин.
Геофизические исследования в скважинах проводятся на всех стадиях
поисково-разведочных работ. В обязательный комплекс каротажа на раз-
ведочных скважинах обычно входят методы электрокаротажа — кажуще-
гося сопротивления КС, боковое каротажное зондирование БКЗ; метод
поляризационного каротажа (естественного электрического поля ПС) ;
методы радиоактивного каротажа (гамма-каротаж ГК, гамматамма-
каротаж плотности ГГК-П, нейтронный гамма-каротаж НГК); инклимет-
рия (ИН). В дополнение к этому комплексу в гидрогеологических и ин-
женерно-геологических скважинах в соответствии с их целевым назначе-
нием проводятся акустический (АК) и расходометрический (РК) каро-
таж, резистивиметрия (РК), термометрия (ТМ) ; кавернометрия (КМ),
волновой электромагнитный каротаж (ВЭМК) [30, 42] . Термометрия
проводится в скважинах, выдержанных в течение нескольких суток.
Геофизические исследования скважин предназначаются для гидро-
геологического и инженерно-геологического расчленения разреза, выявле-
ния мощности различных пород, их физических свойств, зон тектоничес-
ких трещин и дробления, карстовых пустот, водоносных и водоупорных
горизонтов, характеристики изменения фильтрационных свойств и ка-
чества воды в разрезе, изучения толщ мерзлых пород, относительной оцен-
ки гидрогеологических параметров основных водоносных горизонтов
и др.
Для оценки интенсивности фильтрации подземных вод и определения
гидрогеологических параметров используются расходометрия и резисти-
виметрия. Указанные методы широко применяются при изучении трещин-
55
но-карстовых водоносных горизонтов. Однако метод резистивиметрии в
трещиноватых и закарстованных породах не всегда применим. Если в
скважине происходит вертикальный переток по стволу, то наблюдения за
рассолением раствора не позволяют расчленить водоносный горизонт
на водопроницаемые и водонепроницаемые участки и определить фильтра-
ционные свойства пород. В подобных условиях изучение фильтрационных
свойств пород по разрезу возможно только путем применения расходо-
метрии. Условием возможности ее использования является хорошая рас-
кольматация скважин [10].
Для исследования скважин методом расходометрии используется рас-
ходомер РЭТС-2. В комплекте аппаратуры предусмотрен ряд типоразме
ров скважинных приборов для скважин в диапазоне от 110 до 300 мм и
более при совмещении расходометрии с эрлифтной откачкой. В этот ряд
входят приборы: ПС-36, ПС-56, ПС-70 и ПС-110 мм. Методика и техника
расходометрических исследований подробно описаны в работе [39] .
Определения показателей физико-механических свойств пород по
геофизическим измерениям основаны на зависимостях между физико-
механическими свойствами пород, отраженными в результатах геофизи-
ческих измерений, и данными лабораторных исследований пород. Между
прочностью пород и удельным электрическим сопротивлением наблюдает-
ся корреляционная связь. Статистическая обработка показывает наличие
такой связи между замерами кажущегося сопротивления потенциал-
зондом рп3 и предлом прочности при сжатии Qi сж. Несколько менее тес-
ная связь наблюдается между результатами измерений градиент-зондом
и Qi сж. Коэффициенты корреляции между этими величинами изменяются
для различных районов от 0,5 до 0,8. Значения рп3 имеют обратную связь
с пористостью и упругими свойствами пород.
Существует также связь между естественной поляризацией пород
(ПС), проницаемостью и пористостью песчано-глинистых пород. Зоны с
повышенной пористостью отмечаются пониженными значениями ПС,
а зонам с незначительной пористостью, так же как и глинам, соответ-
ствует повышенное ПС.
Между значениями ПС и прочностью породы отмечается отрицательная
корреляционная связь. Более тесная связь — между данными ПС и коэф-
фициентом пористости породы. Между ПС и упругими свойствами пород
наблюдается обратная связь.
Естественная радиоактивность (ГК) повышается с увеличинем глинис-
тости пород. Поскольку прочность горных пород снижается с повышением
глинистости, наблюдается обратная свзяь между значениями ГК и прочнос-
тью, а также и пористостью пород.
Рассеянное гамма-излучение (ГГК), регистрируемое в разведочных
скважинах, по своей физической природе отражает плотность пород. От-
мечена прямая связь рассеянного гамма-излучения с пористостью пород и
обратная с прочностью, плотностью и упругими свойствами. При условии
эталонирования данных ГГК по плотности и введения поправки на диаметр
скважины возможно достаточно точное определение плотности пород в
скважине.
56
Кавернометрия отражает сужение или увеличинеие диаметра скважины
в зависимости от литологии и прочности пород. Наибольшие диаметры
соответствуют слабым и трещиноватым породам.
Перспективными для решения инженерно-геологических задач являют-
ся акустические методы исследований. Определяемые при акустическом
каротаже значения скорости распространения продольных и поперечных
волн, величины затухания акустических сигналов связаны с такими важ-
ными показателями, как коэффициент Пуассона, модуль Юнга, модуль
сдвига и т.п. Скорость распространения упругих волн корреляционно
связана с прочностью породы. По замерам акустического каротажа можно
ориентировочно определять пределы прочности при сжатии, коэффициент
пористости, выделять зоны с повышенной трещиноватостью пород, оцени-
вать напряженное состояние пород в массиве.
Нейтронные методы, БКЗ, БК, диэлектрический каротаж и другие
используются для оценки коллекторских свойств (пористость, влагона-
сыщенность, проницаемость и др.). Из комплекса геофизических измере-
ний наиболее устойчивые и тесные связи с прочностными свойствами пород
имеют методы: КС — потенциал-зонд и кавернометрия. Значения кажуще-
гося сопротивления, замеренные потенциал-зондом, имеют почти линей-
ную зависимостиь от предела прочности при сжатиии. Однако при низких
значениях сопротивлений пород, близких к сопротивлению бурового
раствора, зависимость нелинейна, метод становится малочувствительным
к изменениям прочности.
Показания кавернометрии нелинейно связаны с прочностью породы.
Лучше это проявляется при малых и средних значениях прочности пород;
при больших значениях метод малочувствителен. Непрерывные графики
прочности пород наносятся на разрезы и планы около каждой скважины.
Это позволяет проследить изменчивость физико-мехинических свойств
по площади, выделить зоны слабых пород.
Более полная информация о физико-механических свойствах пород,
содержащаяся в геофизических измерениях, возможна при совместном
использовании всего комплекса измерений [42] . Для этого на основе
отобранных эмпирических данных методами математической статистики
определяются теснота и вид связи между физико-механическими свойст-
вами пород и комплексом показателей геофизических измерений в
скважинах.
Опытно-фильтрационные работы. Опытно-фильтрационные работы
включают откачки, нагнетания, наливы в скважины и шуфры, опробова-
ние пород испытателями пластов. Как подобие откачки, могут рассматри-
ваться водопритоки в горные выработки.
Опытно-фильтрационные работы предназначены для определения
гидрогеологических параметров: коэффициента фильтрации к, водопро-
водимости кт, водоотдачи р*, упругой водоотдачи р, коэффициентов
уровнепроводности а и пьезопроводности а*, коэффициентов перетекания
£ и Р, параметров, характеризующих сопротивление русловых отложений
Д/. и, в отдельных случаях, коэффициент сопротивления заиленного
слоя До.
57
Откачки из скважин разделяются на одиночные, кустовые и группо-
вые. По целевому назначению откачки подразделяются на пробные, опыт-
ные и опытно-эксплуатационные. Пробные откачки проводятся с целью
предварительной оценки водообильности пород и химического состава
подземных вод. Они бывают обычно одиночными, продолжительностью
до 1—2 сут. Назначение опытных откачек, являющихся основным видом
опытно-фильтрационных работ, заключается в определении основных
гидрогеологических параметров водоносных горизонтов, изучении их
граничных условий в плане и разрезе, установлении зависимости между
дебитом скважины и понижением уровня воды. Опытные откачки подраз-
деляются на одиночные и кустовые. Для обеспечения необходимого деби-
та проводятся групповые откачки из нескольких скважин. В особо слож-
ных гидрогеологических условиях выполняется опытно-эксплуатацион-
ное водопонижение, позволяющее оценить эффективность намечаемых
мероприятий по осушению месторождения.
Опытные одиночные откачки проводятся продолжительностью 3—
4 сут из безнапорных и 2—3 сут в напорных водоносных горизонтах. На-
копившийся опыт показывает, что достоверность определения фильтра-
ционных свойств пород при одиночных откачках является во многих
случаях низкой; значения водопроводимости могут занижаться в несколь-
ко раз. Наибольшие погрешности наблюдаются в скважинах, бурение
которых осуществлялось с промывкой глинистым раствором. Только
в условиях, когда скорости снижения уровня воды в скважине и за ее
пределами примерно одинаковы, определение водопроводимости пласта
по полулогарифмическим графикам прослеживания для условий квазис-
тационарного режима дает приемлемые результаты. Определяемые по
данным одиночных откачек значения коэффициентов фильтрации и водо-
проводимости пластов должны уточняться по результатам кустовых и
групповых откачек.
Кустовые откачки позволяют получить наиболее достоверные значе-
ния гидрогеологических параметров. Однако, когда скорости снижения
уровня воды за фильтрами наблюдательных скважин и в них самих раз-
личны (в результате кольматации стенок скважины в процессе ее бурения
и т.п.), кустовые откачки могут дать значительные погрешности в опре-
делении водопроводимости пласта. Поэтому требуется интенсивная про-
качка как центральных, так и наблюдательных скважин.
Можно выделить несколько видов кустовых откачек: откачка для
определения фильтрационных свойств одного пласта при удалении сква-
жин от каких-либо границ водоносного горизонта; откачка вблизи реки
для определения фильтрационных свойств водоносного пласта и степени
гидравлической связи его с рекой; откачка в условиях слоистой толщи
пород для оценки фильтрационных свойств водоносных и разделяющих
их пород. Особенности расположения скважин для каждого из отмечен-
ных видов кустовых откачек и методика определения фильтрационных
свойств пород описаны в работах [4, 29, 33].
Кустовые откачки проводятся большей частью с одной ступенью де
58
бИта продолжительностью не менее 10—15 сут в безнапорных водоносных
горизонтах и в горизонтах трещиноватых, закарстованных пород; и 5-
g сут — в напорных. Наиболее продолжительными (до 1,5 мес.) являются
откачки в слоистых толщах в связи с тем, что важно проследить влияние
водоотбора на смежные водоносные слои. Действительная продолжитель-
ность опытных откачек и момент их прекращения определяются по дан-
ным текущей обработки результатов с определением гидрогеологических
параметров в первом приближении.
Откачки проводятся с постоянным дебитом или понижением в цен-
тральной скважине (выпуски). Рекомендуется проводить откачки с деби-
том 5—25 л/сек при водопроводимости пласта 50—500 м2 /сут и до 150 л/с
при большей водопроводимости (от 1000 до 3000 м2/сут). Значительные
отклонения дебита скважины (более 10%) от средней величины вынужда-
ют удлинять продолжительность откачки на время, превышающее период
отклонений в 5—10 раз.
При кустовых откачках необходимо проводить наблюдения за уров-
нем воды и в центральной скважине с целью определения водопроводи-
мости пласта. Это позволит получить материалы для сравнения данных
одиночных и кустовых откачек.
Для кустовых откачек в неограниченных пластах в зернистых породах
можно ограничиться одним лучом 2—3 наблюдательных скважин. Допол-
нительно можно использовать разведочные скважины, оборудованные для
наблюдений. Это особенно важно для трещиноватых и закарстованных
пород. Наблюдательные скважины следует располагать в зоне квазиста-
ционарного режима > с тем, чтобы разность между понижениями в сосед-
них скважинах и в крайней наблюдательной составляла более 0,2 м. Рас-
стояния между наблюдательными и центральными скважинами должны
устанавливаться примерно по правилу геометрической прогрессии. При
наличии зон разломов следует иметь скважины до и за разломом, а также
скважины, вскрывшие зону разлома.
Для кустов, располагающихся вблизи реки или других границ пласта,
минимальное число лучей наблюдательных скважин — не менее двух.
Один луч ориентируется нормально к реке (границе), а другой — парал-
лельно ей. Основной водоносный слой должен быть охвачен наблюдения-
ми не менее чем в двух точках каждого луча. Единичные скважины долж-
ны быть пробурены на другом берегу реки, если имеются основания за-
фиксировать там понижение уровня. У рек нередко требуется проведение
групповых откачек.
Для кустов в слоистых толщах наблюдательные скважины оборудуют-
ся на водоносный слой, из которого ведется откачка, и на изучаемые
смежные водоносные слои. Луч скважин в водоносном слое, из которого
ведется откачка, должен иметь не менее трех наблюдательных скважин.
Первая из них располагается вблизи центральной на расстоянии, не превы-
шающем мощность водоносного пласта; вторая — на расстоянии не более
2-3 мощностей, а третья — на расстоянии 5—10 мощностей пласта. Первые
Две скважины могут быть непосредственно использованы для определения
59
водопроводимости пласта в условиях квазистационарного режима филь-
трации с использованием формулы Дюпюи для радиального потока, так
как приток воды за счет перетекания здесь невелик по сравнению с общим
расходом потока. Данные наиболее удаленной наблюдательной скважины
используются для определения коэффициента перетекания из смежных
слоев. В смежных слоях следует иметь по 1—2 наблюдательных скважин,
расположенных в небольшом удалении от центральной в тех же местах,
где имеются скважины на основной пласт.
Групповые откачки проводятся чаще всего тогда, когда ожидаемая
депрессия откачки может достигнуть границ пласта, оказывающих основ-
ное влияние на формирование водопритоков в горные выработки буду-
щих разработок. Групповые откачки могут осуществляться также из
высокообводненных зон разломов большой протяженности.
Опытно-эксплуатационное водопонижение применяется в том слу-
чае, если в процессе откачек не была получена информация для обоснован-
ного выбора схемы и темпов осушения месторождения. Оно осуществля-
ется по специальному проекту. Необходимое число скважин и общий де-
бит обосновываются исходя из требований к осушению месторождения.
Перед осуществлением водопонижения оборудуется широкая сеть наблю-
дательных скважин. Водопонижающие скважины закладываются на перво-
очередных участках освоения месторождения. Продолжительность водо-
понижения обычно намечается равной 3—6 мес. Методы обработки резуль-
татов откачек освещены в литературе [4, 29, 33].
Современные методы расчета гидрогеологических параметров бази-
руются на уравнениях неустановившегося движения подземных вод. В
частных случаях при стационарном и квазистационарном режиме филь-
трации могут быть применены формулы стационарной фильтрации.
Определение параметров выполняется методами подбора эталонных кри-
вых, прослеживания изменения понижения уровня во времени и по площа-
ди. Наиболее предпочтительными являются графоаналитические методы
прослеживания изменения уровня во времени и по площади (метод
Джейкоба), применяющиеся при квазистационарном режиме фильтрации.
Определение коэффициентов водопроводимости и пьезопроводности
(уровнепроводности) проводится путем обработки графиков временного,
площадного и комбинированного прослеживания уровня, построенных по
данным кустовых откачек. При временном прослеживании строится
график S — Igt, при площадном — S - Igr, при комбинированном
S — lg	неограниченных и полуограниченных пластах используют
графики S — Igr, в полосообразных S — лДГв замкнутых S — t.
Расчетные параметры определяются по следующим зависимостям:
временное прослеживание
кт = 0,183 Q/Ct, lg* = 2lgr - 0,35 + (At/Ct);	(4)
площадное прослеживание
кт = 0,366 Q/Cr, Iga =?	- 0,35 - Igt;	(5)
cr
60
комбинированное прослеживание
кт = 0,183 Q/CK, Iga = Ик/Ск ) - 0,35,	(6)
где At и Ct, Аг и Сг, АК и Ск - соответственно начальная ордината и угло-
вой коэффициент прямолинейных графиков временного, площадного и
комбинированного прослеживания; г — расстояние между опытной и
наблюдательной скважинами; t — момент времени от начала откачки, на
который строится график S - Igr.
Все приведенные зависимости справедливы для откачек с постоянным
дебитом.
Определение гидрогеологических параметров указанными методами
при откачках с постоянным дебитом в напорном водоносном горизонте
при неустановившемся режиме основано на использовании формулы
Тейса:
47Г km	4а t
где S - понижение напора на расстоянии гот скважины, из которой прово-
дится откачка, через время t после начала откачки; Q — дебит скважины;
кт — водопроводимость водоносного горизонта; а — коэффициент пьезо-
проводности; Ei — интегральная показательная функция (см. прил. 2).
„ г 2 л „	0,1830, 2,25 at
При 0,1 S = lg —----------------.
При откачках из безнапорных водоносных горизонтов на графике
S = fflgtJ выделяются три участка. Продолжительность первого участка
(наклонная линия) очень кратковременна и он практически почти не вы-
деляется. На втором участке происходит резкое выполаживание графи-
ка — ложностационарный период. Третий участок графика соответствует
логарифмической аппроксимации формулы Тейса при гравитационной
водоотдаче. Для определения коэффициентов водопроводимости и филь-
трации методом временного прослеживания следует использовать первый
и третий участки, а для расчета коэффициента уровнепроводности - тре-
тий участок. Обработка данных откачек также проводится методами
временного, площадного и комбинированного прослеживания. При этом
строятся графики (2Н - S) S - Igr; (2Н -	- lg г; (2Н - S) S-
— I g(t/r2). Расчет коэффициентов уровнепроводности используется с при-
менением формул (4, 5, 6).
Коэффициенты фильтрации определяются по формулам:
при временном прослеживании
к = 0,366 Q/Ct,
при площадном прослеживании
к = 0,73 Q/Cr,
при комбинированном прослеживании
* = 0,36Q/CK.
61
Изложенные способы обработки могут также применяться при откач.
ках с постоянным понижением уровня. В этом случае строятся графики:
S/Q - Igt; S/Q - Igr; S/Q - lg (t/r2). Для определения параметров исполь-
зуются также данные наблюдений за восстановлением уровня после прек-
ращения откачки [4].
При установившемся движении в напорных и безнапорных водонос-
ных горизонтах для расчета водопроводимости и коэффициентов фильтра-
ции пород по данным откачек используются формулы Дюпюи.
Методы определения гидрогеологических параметров в слоистых водо-
носных толщах пород освещены в работах [4, 45]. Определенные особен-
ности имеет обработка данных откачек в трещиноватых и закарстованных
породах, которые характеризуются наличием „двойной пористости" [4,
39]. В этих породах закономерности фильтрации, свойственные обычным
зернистым породам и хорошо описываемые уравнением Тейса — Джей-
коба, устанавливаются не сразу, а через некоторое время после начала
откачки.
Для определения параметров трещинно-карстовых водоносных гори-
зонтов наиболее предпочтительно применение графоаналитического мето-
да Джейкоба с использованием асимптотической части опытных законо-
мерностей изменения уровня, соответствующей времени, превышающему
время запаздывания. В зависимости от условий могут использоваться
либо все три модификации метода Джейкоба, либо часть их.
При этом необходимо учитывать следующие особенности строения
трещинно-карстовой среды и фильтрации в ней жидкости.
1.	В связи с проявлением „двойной пористости" пород на графиках
выделяются три участка с различным наклоном линии к осям графика.
Последний, третий участок связан с макропористостью водоносного гори-
зонта или с влиянием внешних границ пласта, что приводит к выполажи-
ванию графиков или увеличению их крутизны в зависимости от характера
действующих факторов.
2.	Наилучшие результаты при диагностике расчетных участков графи-
ков дают результаты комбинированного прослеживания.
3.	Выбор расчетных участков временных и комбинированных графи-
ков производится, по существу, на основе качественного анализа опытных
закономерностей изменения уровней в процессе откачек, так как крите-
рий контрольного времени в данных условиях неприменим.
4.	В условиях сочетания эффекта „двойной пористости" с различными
граничными факторами аномальности возможны следующие варианты:
влияние границ проявляется на временных и комбинированных графиках
в форме появления конечного более пологого или более крутого участка,
расчетный асимптотический участок формируется до начала влияния границ
(график имеет характерную форму); влияние границ имеет угловой
коэффициент асимптотического участка графика, не деформируя харак-
терной формы графиков; влияние границ деформирует характерную
форму графика, не позволяя выделить асимптотический расчетный учас-
ток на временных и комбинированных графиках.
5.	В пластах с резко неравномерной трещиноватостью в связи с воз-
можным существенным нарушением радиальности потока коэффициенты
62
водопроводимости могут быть получены лишь по временным и комби-
нированным графикам.
6.	Определение параметров анизотропных пластов может быть выпол-
нено обычными методами, но с учетом искажения формы потока, т.е.
посредством деформации одной или обеих осей координат х и у.
Все отмеченное выше относится к методике обработки результатов
опытных работ в условно неограниченных пластах, когда в процессе опы-
тов влияние плановых границ, по существу, не проявляется.
Обработку опытных данных в условиях влияния границ наиболее целе-
сообразно выполнять также на основе уравнения Тейса — Джейкоба,
преобразованного для конкретных условий. Если это уравнение неприме-
нимо, следует по возможности использовать графоаналитические методы,
основанные на анализе опытных закономерностей изменения уровня.
По результатам откачек вблизи реки рассчитываются параметры:
коэффициент сопротивления заиленного слоя Ао = m^lk^ (где т0 и к0 —
мощность и коэффициент фильтрации заиленного слоя) и обобщенное
сопротивление русловых отложений Д£. Последнее представляет собой
некоторое дополнительное увеличение длины потока, которое учитывает
фильтрационное сопротивление, обусловленное неполнотой вреза реки в
водоносный пласт, его неоднородностью и заиленностью русла реки.
Использование показателя Д£ приемлемо для расчетов при Д/. < 1L
(L — истинное расстояние от скважины до реки).
При однослойном строении водоносного горизонта и однородности
и изотропности его фильтрационных свойств Д/. связано с параметром
Ао теоретической зависимостью
А I / Т" I
AL =^/ктАа *cth~7, А /
° уктАц
где b — ширина реки.
Имеются графики Д£ = f(k, т, Aq, b), позволяющие определять
ДА при известных значениях других параметров.
В практике расчетов для определения Д2. подбором используется
видоизмененная формула Форгеймера, например, S = 0<^6 ° 1g
2 U + Д/j - r t
---------------, где гх — расстояние от центральной скважины до наблю-
дательной.
Существуют различные методы определения параметров Д£ и До,
основанные на аналитических решениях для однородных пластов с ис-
пользованием данных о понижениях в одной или двух точках между
Рекой и скважиной [4]. Поскольку наиболее часто встречающиеся при-
родные условия значительно отличаются от условий однородных водо-
носных горизонтов, то более целесообразным является графоаналитичес-
кий метод определения Д/. по графикам S - Igr. Для построения графика
используются скважины, расстояние от которых до центральной не долж-
но превышать 0,4—0,5 расстояния от центральной скважины до реки. Ус-
редняющая прямая графика S — 1дг отсекает на оси абсцисс отрезок,
Равный условному радиусу питания R, соответствующему $=0. Для водо-
63
носного горизонта, связанного с рекой, R = 2(L + Д2.), отсюда =
= (R/2} — L. Предпочтительно использовать скважины, расположенные на
луче вдоль реки.
Рассмотренные методы определения параметров Д£ и До применимы
только в условиях подпертой стационарной фильтрации, и снижение уровня
на урезе реки должно соответствовать условию S < Но + mQ, где HQ —
высота слоя воды в реке. Аналитические расчеты водопроводимости по-
род на прибрежных участках выполняются по зависимостям, приведен-
ным в работах [4, 33].
Опытные нагнетания в скважины проводятся для изучения трещино-
ватых, кавернозных пород большей частью слабой водоносности с глубо-
ким залеганием уровня подземных вод. При этом применяется преиму-
щественно поинтервальное опробование геологоразведочных скважин по
мере их проходки или с помощью пакеров после полного окончания буре-
ния. По опыту работ оптимальными при гидрогеологическом расчленении
мощной толщи пород являются интервалы примерно до 50 м (возможно
до 100 м). Нагнетания проводятся при 1—3 ступенях давления продолжи-
тельностью на основной ступени до 1 сут. По результатам нагнетания рас-
считываются удельное водопоглощёние и коэффициенты фильтрации
пород [32].
Наливы в шурфы, применяющиеся в основном для определения про-
ницаемости пород выше уровня грунтовых вод, не распространены при
разведке месторождений полезных ископаемых.
Использование данных о водопротоках в горные выработки для
определения гидрогеологических параметров основано на аналогии при-
токов воды с опытными откачками. С этой целью в горных выработках
организуются наблюдения за притоками подземных вод, а для изучения
их уровенного режима создается сеть наблюдательных скважин с учетом
требований, предъявляемых к размещению скважин при опытных откач-
ках [4].
При организации этих работ, обработке и интерпретации получаемых
результатов необходимо учитывать ряд особенностей: сложный и часто
нерегулируемый характер водопритоков; значительные размеры и разно-
образную конфигурацию водоприемной системы горных выработок;
изменение размеров и формы водоприемной системы во времени; воз-
можность изменения фильтрационных свойств пород под влиянием горно-
технических факторов.
Для обработки результатов наблюдений за водопритоками в горные
выработки и понижением уровня подземных вод используются методы
определения гидрогеологических параметров по данным опытных отка-
чек. При этом реальный переменный водоприток приводится к постоян-
ной средней величине по формуле
п _	. . + Qn+ 'п
пр f
где Qlf . . ., Qn — водопритоки выделенных ступеней; tlf . . ., tn — про-
должительности ступеней; t — общая продолжительность анализируемо-
го участка.
64
В зависимости от размещения водопроявлений в горных выработках
они могут рассматриваться как обобщенная дренажная система или как
группа скважин. При стабильном водопритоке для определения парамет-
ров могут быть использованы методы обработки данных откачек с учетом
временных и площадных критериев. Если приток в выработки регуляр-
но изменяется при условии постоянства понижения уровня и длины обвод-
ненных выработок, то для определения параметров можно использовать
способ временного прослеживания приведенного понижения (S/Q) по дан-
ным наблюдений за уровнем наблюдательных скважин и способ времен-
ного прослеживания водопритока с помощью графиков 1/Q — lg L Этот
способ может дать положительные результаты только при достаточно дли-
тельном периоде регулярного уменьшения водопритока при постоянном
понижении уровня и длине выработок. При наличии в шахте нескольких
горизонтов выработок со своими водопритоками по величинам этих прито-
ков и глубинам горизонтов от статического уровня строится график зави-
симости Q — S в линейном масштабе, который аппроксимируется зависи-
мостью S =50^, |gS= Iga + dlgQ. Эмпирические коэффициенты а и b зави-
сят от фильтрационных и емкостных свойств водовмещающих пород,
граничных условий водоносных горизонтов, особенностей работы водо-
приемных систем. Прямолинейный логарифмический график может быть
использован для прогноза водопритоков на проектируемые горизонты.
В некоторых случаях при аварийном затоплении горных выработок
для определения притока воды в них рекомендуется использовать графи-
ки временного прослеживания восстановления уровня подземных вод.
Опробование скважин с применением испытателей пластов произ-
водится в основном для трещиноватых пород. Положительной особен-
ностью этого метода является то, что опробование заданного интервала
скважины выполняется в условиях раскольматации пород под влиянием
больших перепадов напоров. Но в связи с относительно малым отбором
воды определения относятся к локальной зоне вокруг водоприемной час-
ти скважины и могут служить лишь для приближенных оценок. Так как
определения проницаемости пород являются зональными, получаемые
результаты могут служить для сравнительной оценки изменения коэф-
фициента фильтрации пород по вертикали.
Пластоиспытатели могут применяться в геологоразведочных скважи-
нах, что позволит получить массовую информацию об изменении прони-
цаемости водоносных пород по площади и на глубину. Увязка этих дан-
ных с тектонической структурой изучаемой водоносной толщи дает воз-
можность оценить обводненность отдельных тектонических элементов,
что имеет большое значение при изучении фильтрационных свойств мас-
сива трещиноватых пород. Значительная теоретическая основа и опыт ис-
пользования нефтяных испытателей пластов позволили создать и внедрить
в практику новые конструктивные схемы испытателей пластов. Институ-
том ВСЕГИНГЕО создано два вида испытателей пластов с опорой на
забой, которые успешно работают в скважинах глубиной от 200 до
^000 м. Совместно с Кривбассгеологией создан испытатель пластов для
скважин диаметром 59 мм/ позволяющий исследовать скважины алмаз-
5-5190
65
ного бурения [25]. Успешно применяют пластоиспытатели МИГ-65к и
КИИ-65. Типовая схема испытателя пластов конструкции ВСЕГИНГЕО
ИИГ-1 включает систему клапанов, один пакер и регистрирующие глубин-
ные манометры.
В зависимости от конструкции испытателя пластов могут быть прове-
дены 1—3 и более циклов испытания интервала в скважине (один цикл —
это период притока и период восстановления давления). Весь процесс
испытания отмечается на бланке глубинного манометра, установленного
в фильтре под пакером.
Для определения гидрогеологических параметров испытанных интер-
валов проводят расшифровку бланков глубинных манометров. На этих
бланках при испытаниях обеспечивается запись диаграмм давления. Обра-
ботка диаграмм давления производится на специальном приборе — компа-
раторе. Расчеты параметров с интерпретацией диаграмм давления (кривые
притока и восстановления давления) относятся к разряду существующих
экспресс-методов и основаны на применении формул неустановившейся
однофазной фильтрации для безграничных пластов.
Для расчетов параметров водоносных горизонтов рекомендуются
методики наиболее простые и близкие к условиям испытания геологораз-
ведочных скважин (например, методики Чарного — Умрихина, Хорнера,
Тейса) [25].
На основе указанных методик определяются: дебит (приток в инстру-
мент) , пластовое давление, коэффициент водопроводимости, коэффици-
ент проницаемости (фильтрации), состояние призабойной зоны пласта.
При комплексном использовании ряда геофизических методов (каверно-
метрия, расходометрия, термометрия, акустический каротаж и др.) и
испытателей пластов определяют эффективную мощность опробуемого
интервала.
Режимные стационарные наблюдения. Гидрогеологические режимные
наблюдения, включающие также гидрологические и метеорологические,
являются важной частью разведочных работ. Элементами наблюдения
являются: уровень подземных вод, дебит родников и фонтанирующих
скважин, приток воды в выработки, уровень поверхностных водотоков
и водоемов, расход малых рек, химический и газовый состав и темпера-
тура воды, величина атмосферных осадков, влажность и температура
воздуха.
Наблюдения за режимом природных вод производятся с целью: изуче-
ния закономерностей режима вод, выявления основных режимообразую-
щих факторов и установления корреляционных связей между ними;
оценки питания водоносных горизонтов и установления наличия гидрав-
лической связи между водоносными горизонтами; уточнения гидрогеоло-
гических параметров водоносных горизонтов; установления направления
и скорости потока подземных вод и наличия связи с поверхностными
водотоками и водоемами; установления особенностей развития депрес-
сионной воронки, притоков воды в разведочные горные выработки и на
месторождениях-аналогах; изучения изменения химического состава,
содержания микроэлементов, состава растворенных газов, температуры
подземных и поверхностных вод.
66
Для наблюдения за режимом используются специально пробуренные
или оборудованные для этих целей геологоразведочные скважины, колод-
цы, родники, горные выработки, водомерные посты на реках, водоемах,
находящиеся на месторождении и в прилегающем районе.
Минимальная продолжительность режимных наблюдений — один гидро-
геологический год. При многолетних разведочных работах наблюдения
проводятся в течение 3—5 лет.
Наблюдения за режимом подземных вод начинаются на последних
этапах поисков и продолжаются на всех стадиях разведки месторожде-
ний. На стадии поисков наблюдение за режимом подземных вод рекомен-
дуется проводить по разведочным скважинам.
При предварительной, детальной и последующих стадиях разведки соз-
дается постоянно действующая сеть буровых скважин. Причем первые
опорные скважины следует оборудовать до начала разведочных горных
работ и крупных фильтрационных опытов, чтобы проследить режим под-
земных вод, начиная от их естественного состояния.
Выбор наблюдательных пунктов для изучения режима подземных вод
должен производиться как с точки зрения равномерного охвата наблю-
дениями изучаемой территории, так и с учетом решения конкретных за-
дач. Для региональной характеристики режима наблюдательная сеть раз-
мещается с таким расчетом, чтобы наблюдениями были охвачены все наи-
более типичные в гидрогеологическом отношении участки изучаемого
района.
Основные принципы, которыми следует руководствоваться при вы-
боре рациональной схемы размещения наблюдательных скважин, сле-
дующие.
Размещение скважин в плане производится с учетом боковых границ
каждого изучаемого водоносного горизонта. В условиях неограниченного
в плане пласта наблюдательные скважины могут располагаться в виде
двух пересекающихся под прямым углом поперечников, ориентирован-
ных в плане по потоку и вкрест него. Для закарстованных пород допол-
нительно должны закладываться скважины на участках повышенной
трещиноватости и закарстованности, пересечения тектонических наруше-
ний и в местах интенвисного поглощения атмосферных осадков.
В случаях ограниченных пластов лучи (поперечники) наблюдательных
скважин ориентируются в направлении от будущих горных выработок
к границам пластов по кратчайшему расстоянию. Кроме указанных основ-
ных поперечников может возникнуть необходимость в дополнительных
скважинах, ориентированных в направлении ближайших шахт (рудни-
ков) , карьеров или крупных водозаборов, которые могут оказаться во
взаимодействии с изучаемым объектом. Количество скважин в попереч-
нике и в целом на изучаемой площади определяется исходя из необходи-
мости построения карты гидроизогипс или гидроизопьез.
Для выяснения связи подземных и поверхностных вод на участках
Речных долин оборудуются поперечники из ряда скважин, в которых
следует вести наблюдения за уровнем воды в аллювиальных отложениях,
контактирующих с ними коренных породах и в нижележащих напорных
водоносных горизонтах. Поперечники должны пересекать коренной берег,
67
террасы и пойму. Расстояние между наблюдательными точками на попе-
речнике, как правило, увеличивается по мере удаления от реки в сторону
водораздела, примерно в следующем порядке: 25, 50, 100, 200, 400 м и
т.д. Связь режима подземных и поверхностных вод прослеживается не
только по режиму их уровня, но и по режиму химического состава и
температуры вод. Частота наблюдений за уровнями подземных вод обыч-
но составляет один раз в 3—10 дней и реже. Наблюдения за суточными ко-
лебаниями уровня грунтовых вод производятся три раза в сутки на спе-
циально выбранном участке. Необходимо фиксировать дату начала весен-
него подъема, дату установления максимального в данном году положе-
ния уровня, величину весеннего подъема уровня и продолжительность
его стояния, минимальное положение и амплитуду годового колебания
уровня воды. Температуру подземных вод исследуют в специально обору-
дованных скважинах по более разреженной сети и по специально разрабо-
танной методике [49].
При изучении химического состава подземных вод сначала отбираются
пробы на полный химический анализ из всех наблюдательных пунктов,
включая открытые водотоки и водоемы. Затем пробы воды отбираются
один раз в квартал (по сезонам года) в ограниченном числе пунктов и
дополнительно в период паводка.
По данным наблюдений строятся графики изменения элементов режи-
ма вод, карты гидроизогипс и изопьез, гидрогеологического районирова-
ния; производятся гидрогеологические расчеты. Одновременно с этими
данными необходимо иметь сведения об осадках, температуре и влаж-
ности воздуха, о расходах и уровнях рек, водоемов, имеющих связь с
подземными водами.
Для изучения режима поверхностных вод необходимо проводить
обследования рек, временных водотоков, озер, болот, водохранилищ.
Наблюдения за режимом поверхностных водотоков и водоемов произ-
водятся с помощью гидрометрических постов. Максимально использу-
ются данные гидрологических наблюдений, станций Гидрометслужбы
СССР. На отдельных участках небольших рек и на временных водотоках
выше и ниже месторождения рекомендуется оборудовать не менее 2—3
гидрометрических постов для выявления потерь или приращения расхода
потока. Наблюдаются также скопления вод в оврагах, тальвегах, низинах.
Гидрометрические посты следует устанавливать на участках долины
с разным литолого-петрографическим составом пород. В карстовых райо-
нах гидрометрические посты должны приурочиваться к контактам карс-
тующихся и некарстующихся пород. В случаях поглощения реки карсто-
выми образованиями наблюдения организуются перед местом поглоще-
ния, а также по выходе реки на дневную поверхность.
На гидрометрических постах производят измерение скорости течения,
ширины потока и глубины слоя воды, по этим данным вычисляют расхо-
ды реки. Скорость течения воды измеряется вертушками и поплавками.
Замеры расхода реки должны проводиться с частотой, необходимой для
построения годового гидрографа, а именно: в межень 5-6 раз в месяц,
а в паводок — 1 раз в 2—3 дня. Материалы наблюдений на гидрометричес-
68
ких постах должны также характеризовать термический, гидрохимический
и ледовый режим рек района исследования. При проведении гидрометри-
ческих работ на реках следует руководствоваться наставлениями Госком-
гидромета СССР гидрометрическим станциям и постам.
При разведке месторождения горными выработками или при изучении
гидрогеологических условий на шахте-аналоге необходимо организовать
наблюдения за сбросом шахтных (рудничных) вод. С этой целью на участ-
ках сброса устанавливаются наблюдательные посты или оборудуется нес-
колько водосливов, позволяющих наблюдать за расходами сбрасывае-
мых вод и выявлять их возможное поглощение.
При изучении режима шахтных (рудничных) вод стационарные наб-
людения за подземными водами по скважинам должны быть дополнены
и увязаны с режимными наблюдениями в горных выработках, а также с
графиком ведения горных работ. В задачи изучения режима шахтных
(рудничных) вод входят: выявление закономерностей формирования
водопритоков в горные выработки, химического состава и агрессивных
свойств шахтных (рудничных) вод; изучение влияния водоотбора из
горных выработок на развитие депрессионных воронок и изменение
гидрогеологических условий района; выявление непосредственного учас-
тия в шахтных (рудничных) водопритоках речных вод и атмосферных
осадков; получение данных для расчетов гидрогеологических параметров
водоносных горизонтов методом решения так называемых „обратных
задач".
Наблюдения за режимом шахтных (рудничных) вод включают подзем-
ную гидрогеологическую съемку, наблюдения за притоками воды в
горные выработки, наблюдения за температурой, химическим составом
вод и их уровнем. Съемка выработок производится с' целью выбора
характерных точек для постановки стационарных наблюдений за водо-
притоками.
Наблюдения за водопритоками должны осуществляться в основных
обводненных горных выработках, на водосборниках, дренажных и водо-
отливных устройствах. Следует учитывать возможность внезапного про-
рыва воды из водоносных горизонтов, зон и старых заброшенных выра-
боток, а также сезонные водопроявления и колебания водопритоков.
Одновременно с наблюдениями в горных выработках необходимо орга-
низовать наблюдения в скважинах и на дневной поверхности. Число и
расположение наблюдательных скважин определяется в первую очередь
требованиями, предъявляемыми строительством и эксплуатацией горного
предприятия и дренажной системы. Отметим, в частности, что к началу
водопонизительных работ должны быть оборудованы: скважины внутри
водопонизительного контура; скважины по линии дренажного контура;
скважины вблизи открытых водоемов, рек, участков вторичного погло-
щения и т.п.; скважины за водопонизительным контуром, в пределах
площади предполагаемого влияния водопонижения; дополнительные
скважины вблизи границ водоносных пластов, на участках крупных
тектонических нарушений и на стыках слоев с резко различными проводи-
мостями. Частота наблюдений может быть ограничена до трех раз в месяц,
69
при резких увеличениях водопритоков наблюдения должны быть ежеднев-
ными.
Метеорологические наблюдения проводятся для получения данных
о величине и интенсивности атмосферных осадков, температуре и влаж-
ности воздуха, направлении и силе ветра, снегозапасов. Эти данные соби-
раются на близрасположенных метеорологических станциях или постах
Гидрометслужбы СССР. При отсутствии станций и постов или их удален-
ности в районах шахтных и рудных полей организуются метеорологичес-
кие пункты, их оборудование, и наблюдения выполняются в соответствии
с действующими наставлениями и правилами.
Для оценки количества атмосферных осадков в равнинных районах
рекомендуется иметь один осадкомерный пункт на 200—500 км2, в гор-
ных условиях — один пункт на 200—300 м высоты и на 25—50 км2 пло-
щади в пределах высотного пояса. Снегозапасы в пределах исследуемого
района оцениваются по данным снегомерных съемок, производящихся по
закрепленным линейным маршрутам один раз в месяц.
Изучение химического и газового состава вод. В результате гидрогео-
химических исследований в общем случае необходимо: изучить вещест-
венный состав вод водоносных горизонтов, обводненных разломов и зон
трещиноватости, рек и водоемов, оценить геохимические и физико-хими-
ческие свойства вод; установить вертикальную и пластовую гидрогеохи-
мическую зональность, особенности естественного гидрогеохимического
режима вод; выяснить генезис подземных вод; использовать гидро-
химические данные для выявления взаимосвязи водоносных горизонтов
и обводненных зон, условий водообмена, составляющих водопритоков в
горные выработки; обосновать прогнозную оценку формирования ве-
щественного состава шахтных и дренажных вод и дать оценку их вредного
воздействия на условия проведения горных работ (агрессивность к бето-
ну, коррозия к металлам, выделение токсичных газов, физико-химичес-
кая устойчивость растворов); оценить возможность использования шахт-
ных (рудничных) и дренажных вод для хозяйственно-питьевого и техни-
ческого водоснабжения, орошения, для целей бальнеологии, в качестве
гидроминерального сырья для химической промышленности; обосновать
рекомендации по защите подземных и поверхностных вод от загрязнения
при сбросе дренажных вод.
Изучение вещественного состава и свойств подземных вод в естествен-
ных условиях проводится на всех стадиях разведки месторождения;
в районе они изучаются при комплексной гидрогеологической и инже-
нерно-геологической съемке или обследовании.
На стадии предварительной разведки в пробах воды из основных ес-
тественных водопунктов с дебитом более 0,3 л/сек и из разведочных
скважин определяются макрокомпоненты и характерные для конкретной
металлогенической провинции микрокомпоненты (Си, Zn, Pb, F, Sn,
W, As, Hg, Se, Ba, Ag, Zi, Cs, V, Ho, Cr, B, Ge). При отборе проб непосред-
ственно у водопункта обязателен анализ неустойчивых показателей и ком-
понентов (pH, НСО3, Fe2+, Fe3+, СО2 своб., NH4, NO2) с помощью поле-
вых гидрохимических лабораторий типа ПЛАВ или МЛАВ. В газирующих
70
источниках отбираются пробы спонтанных газов для определения в них
азота, метана, углекислоты, сероводорода, кислорода, гелия.
Общий объем гидрогеохимических исследований на стадии детальной
разведки возрастает по сравнению со стадией предварительной разведки.
На стадии детальной разведки должны быть установлены особенности
полного химического состава каждого водоносного горизонта на всю
глубину разведки месторождения и их изменения по площади. Под пол-
ным химическим составом понимаются: содержания основных компонен-
тов, характерных микрокомпонентов, газов, а также органических ве-
ществ (по групповым показателям — слет, снелет); окисляемость;
наличие органических кислот, гумусовых веществ, микрофлоры (железо-
окисляющие, сульфатредуцирующие, метанообразующие и другие виды
бактерий). На характерных водопунктах определяются водородный по-
казатель pH и окислительно-восстановительный потенциал Eh не менее
3-х раз в течение всего срока разведки.
В результате детальной разведки следует получить материал, достаточ-
ный для построения гидрогеохимических карт месторождения в масшта-
бе 1:25 000—1:10 000 и не менее двух гидрогеохимических разрезов в
характерных направлениях на всю изученную мощность.
Генезис подземных вод определяется на основе обобщения всех дан-
ных о вещественном составе подземных вод (химическом, изотопном,
биологическом) и тесной увязки их с данными о геологической струк-
туре, истории геологического развития района, минералого-геохимичес-
ких особенностях вмещающих пород и руд месторождения, палеогидро-
геологических и современных гидродинамических условиях территории.
Для решения вопросов генезиса подземных вод важное значение могут
иметь геохимические коэффициенты Na/CI, Ca/Mg, SO4/CI, HCO3/CI,
Cl/Br, Ca/Sr, Zi/Pb, K/Zi и другие, расчет которых обязателен для минера-
лизованных вод (М > 2—3 г/л). Для обоснованного суждения о генезисе
необходимо использовать не один какой-либо случайно выбранный коэф-
фициент, а всю гамму их. Данные о геохимических коэффициентах мине-
рализованных вод по каждому горизонту обрабатываются статистически-
ми методами.
О взаимосвязи водоносных горизонтов и обводненных зон мбжду
собой и с поверхностными водоемами и водотоками по гидрогеохимичес-
ким данным можно судить, проанализировав близость и различия в соста-
ве вод и построив графики смешения вод (зависимости абсолютных кон-
центраций отдельных компонентов от величины общей минерализации).
Прогноз по результатам разведки месторождения вещественного сос-
тава, агрессивных свойств, физико-химической устойчивости дренажных
и рудничных вод представляет собой одну из наиболее сложных гидро-
геохимических задач. Трудность заключается в том, что при разработке
месторождения резко нарушаются природная гидрогеохимическая обста-
новка и равновесие в системе вода — порода.
При эксплуатации месторождений интенсивно развиваются окисли-
тельные процессы. В результате в рудничных водах возрастает общая
минерализация за счет содержания сульфатов, кремнекислоты, железа,
71
алюминия, рудных элементов. Величина pH снижается до 3—4, иногда до
1—2. Кислые рудничные воды практически всегда агрессивны к металлу
и бетону по сульфатам, водородному показателю. Агрессивные свойства
вод определяются в соответствии с требованиямй СНиП 28—73.
Смешение подземных вод при дренаже месторождения может привести
к интенсификации процессов образования газов (например, сероводоро-
да), повысить агрессивность вод и их коррозионные свойства и усилить
растворение водовмещающих пород.
Таким образом, на стадии разведки может быть сделан качественный
прогноз химического состава и свойств шахтных и дренажных вод или,
при простых геолого-гидрогеологических условиях, полуколичествен-
ный. Достаточно обоснованными могут быть прогнозы по данным изуче-
ния шахт-аналогов.
Для гидрогеохимических прогнозов необходима организация ком-
плексных наблюдений по режимной сети скважин. Наблюдения должны
включать в себя анализ основных компонентов, характерных микроком-
понентов, газов, величин pH и Eh. Внимание должно быть уделено наибо-
лее токсичным компонентам состава вод: бериллию, селену, мышьяку,
сероводороду (ГОСТ 18294-81, ГОСТ 19413-81, ГОСТ 4152-81). В зави-
симости от специфики природных условий, на каждом месторождении
определяются оптимальный перечень анализируемых микрокомпонентов,
органических веществ, газов, микрофлоры и частота отбора проб, которая
может варьировть от 1 раза в месяц до 1 раза в год.
В целях гидрогеохимических прогнозов могут проводиться лаборатор-
ные и натурные эксперименты по взаимодействию имитирующих раство-
ров и подземных вод друг с другом и горными породами, термодинами-
ческие расчеты с использованием ЭВМ.
Например, при рассмотрении вопросов захоронения минерализован-
ных дренажных вод в глубокие горизонты должны быть теоретически и
экспериментально оценены физико-химическая устойчивость дренажных
вод в условиях откачки и закачки и химическая совместимость дренажных
вод и вод пласта-коллектора. Если в результате нарушения природного
физико-химического равновесия или при смешении вод различного соста-
ва будут образовываться нерастворимые соли в количестве более 0,2—
0,3 г/л, то для реализации закачки необходима предварительная химичес-
кая обработка и частичная очистка дренажных вод.
Ядерно-физические и изотопно-индикаторные методы исследований.
Применительно к задачам изучения гидрогеологических и инженерно-
геологических условий месторождений могут быть применены методы,
основанные на использовании космического излучения, естественной
гамма-радиоактивности пород, управляемых и неуправляемых источни-
ков радиоактивного излучения, естественных изотопов, искусственных
изотопных и неизотопных индикаторов.
Методы с использованием космического излучения основаны на
оценке ослабления космического излучения. Представляется возможным
определение массы, средней плотности пород и ее распределение по вер-
тикали непосредственно в массиве. Измерения проводятся с применением
датчиков космического излучения (в виде набора газоразрядных или
72
сцинтилляционных счетчиков) и регистрирующей аппаратуры (радио-
метров) . Измерения выполняются в скважинах или горных выработках
и по отношению регистрируемой интенсивности космического излучения
на поверхности и на глубине определяют массу пород, а затем и распреде-
ление ее плотности. Этим методом возможно выделение локальных не-
однородностей рудных тел, зон дробления и трещиноватости, подземных
полостей. Метод достаточно прост в реализации и техническом оснащении.
Методы использования естественной радиоактивности пород на
практике реализуются в виде гамма-каротажа — изучение распределения
естественной гамма-активности по стволу скважин. Данные гамма-каро-
тажа используются для литологического расчленения пород и стратигра-
фической корреляции разрезов, оценки глинистости, проницаемости
и пористости. К методам, использующим естественную гамма-активность,
следует отнести и наблюдения за содержанием радона-222 в поровом воз-
духе. Зачастую увеличение во времени концентрации радона в газовых
выделениях из пород связано с напряженным состоянием пород. Широко
используются в настоящее время методы гамма-гамма-каротажа и раз-
личные виды нейтронного каротажа [41].
Поверхностные гамма-гамма измерения реализуются с применением
портативных плотномеров, обеспечивающих измерение плотности пород
с поверхности земли, в обнажениях и горных выработках; скважинные
(или глубинные) — реализуются с применением каротажных скважинных
плотномеров при измерении до глубин 30—50 м, пенетрационно-каротаж-
ных или скважинных каротажных станций общего назначения.
Нейтронные методы основаны на процессах взаимодействия горных
пород с быстрыми нейтронами, испускаемыми изотопными или управляе-
мыми источниками нейтронов, размещенными в соответствующих датчи-
ках. Существует много модификаций нейтронных измерений. Одним из
них, представляющим интерес, является нейтрон-нейтронное измерение
влагосодержания пород. Эти измерения реализуются, как и гамма-гамма
измерения, при помощи поверхностных нейтронных влагомеров, порта-
тивных скважинных влагомеров, пенетрационно-каротажных станций и
станций каротажа общего назначения. Глубинность исследования пород
составляет 20—50 см и уменьшается с увеличением влагосодержания. Осо-
бо мешающим фактором при проведении нейтрон-нейтронного каротажа
является наличие воды в самой скважине.
С помощью нейтронных методов выполняются оценка влагосодер-
жания, выделение водоносных пластов, оценка пористости, фильтрацион-
ных свойств пород.
Индикаторные методы основаны на запуске [41] в исследуемую
сРеду или поток вещества-трассера и наблюдении за его пространственно-
временным распределением. В качестве индикаторов чаще применяются
красящие и флуоресцентные индикаторы (родамин, флуоресцен и др.),
а также радиоактивные индикаторы. Последние обладают принципиаль-
ными преимуществами. Чувствительность их определения на несколько
Порядков превосходит чувствительность определения всех остальных
Индикаторов; их введениё не нарушает структуру изучаемых объектов
и процессов и позволяет проводить измерения в потоках сильно минерали-
73
зованных, мутных, термальных вод, а также сильно разбавленных. Приме,
нение радиоактивных индикаторов требует соблюдения определенных
правил безопасности и согласования проектов работ с органами санитар,
ного надзора и внутренних дел. Основными задачами, решаемыми инди.
каторными методами, являются определения: характеристик потоков
поверхностных и подземных вод (расход, скорость, направление, пути
движения) ; гидравлической взаимосвязи водоносных горизонтов, под.
земных и поверхностных вод; фильтрационных и других водно-физичес-
ких свойств пород; процессов массопереноса (диффузия, гидродинами-
ческая дисперсия, сорбция, десорбция, карстообразование и т.д.).
Для определения гидравлической взаимосвязи в предполагаемой зоне
питания подземных вод запускается индикатор и непрерывно измеряют
его концентрацию в пунктах наблюдения (например, в горных выработ-
ках) . Запуск индикатора может быть мгновенным, когда в исследуемый
поток вводится мгновенно известная порция индикатора, или импульс-
ным, когда в поток в течение некоторого интервала времени запуска
вводится раствор индикатора с известными и постоянными концентрация-
ми и расходом. По факту прохождения индикатора в точке наблюдения
судят о наличии гидравлической связи между местом запуска и точкой
наблюдения. По суммарному количеству индикатора, прошедшему через
наблюдательный пункт (для этого измеряют расход), оценивают, весь
ли индикатор прошел через точку наблюдения. По выходным индикатор
ным кривым оценивают время добегания воды
° £свых (f) q dt
где свых М “ выходная концентрация индикатора в пункте наблюдения,
t — время с начала запуска, Дг — интервал между последовательными
моментами наблюдения, q(t) — расход воды в точке наблюдения. Если
принять, что за время опыта q(t) = const, что обычно выполняется, то,
подставляя интегралы в формулу (4) в виде сумм, получаем
v свых^Дг/
Т = Ltj-----------
^свых(^)
(8)
Отсюда кажущаяся скорость движения подземных вод равна v к = £/т.
где L — расстояние между пунктами инжекции и наблюдения.
Фильтрационные потери определяются методом индикаторной гидро
метрической съемки, т.е. путем определения расходов вдоль водотока и
оценки баланса руслового стока. Наиболее точные данные дают методы
разбавления индикатора. В русло запускают индикатор некоторое продол
жительное время t3 с постоянным расходом q3 и концентрацией с3, ниже
по потоку измеряют его прохождение и концентрацию сп. Если пренебречь
фоном, то измеряемый расход
сг№3»
где сп берется по ,,плато" выходной индикаторной кривой. Длительное^
запуска подбирается экспериментально, чтобы на „плато" было зарегис
трировано не менее пяти точек. Последовательно проводя такие набюДе
74
ния вдоль русла потока, получают распределение расхода, обнаруживают
Зоны фильтрационных потерь или разгрузки подземных вод.
Для определения направления и скорости фильтрации воды наиболь-
шее распространение получил способ определения фильтрационного рас-
хода — односкважинный метод разбавления. В скважину запускают инди-
катор, перемешивают его постоянно и измеряют в последовательные мо-
менты времени его концентрации. Фильтрующийся через скважину поток
разбавляет и уносит из скважинного объема индикатор, что приводит к
снижению концентрации во времени. Это снижение функционально связа-
но с фильтрационным расходом и скоростью фильтрации, а именно:
7ф= (И/t) In (c0/cf); Гф =9фА$ф,
где I/— объем разбавления; Г—время; с0 и c(t) — соответственно началь-
ная и текущая концентрация индикатора; 5ф — сечение потока фильтра-
ции. В полулогарифмическом масштабе график изменения концентрации
индикатора в скважине есть прямая, что позволяет контролировать пра-
вильность опыта. Метод особенно пригоден для сравнительных измере-
ний б/ф в одинаковых геологических и технологических условиях. Направ-
ление движения подземных вод оценивают аналогично тому, как это дела-
ется при установлении гидравлической взаимосвязи.
Для определения эффективной пористости запускают индикатор в
пусковую и наблюдательную скважины, оборудованные на один и тот же
горизонт. При совершенном вскрытии напорного водоносного горизонта
мощностью т искомую пористость определяют по формуле
QfA
п * ж	,
Ф
где Q — расход откачки; — время добегания индикатора от пусковой
до наблюдательной скважины; гп — расстояние между скважинами; г0 —
радиус наблюдательной скважины. Обычно г п > г0; Гд оценивается по
выходной индикаторной кривой согласно формулам (7) и (8) . Существу-
ет еще ряд модификаций этого метода для безнапорных горизонтов и
других гидрогеологических условий [41] .
В качестве радиоактивных индикаторов используют изотопы: тритий
(Т), натрий-22 и 24, бром-82, хром-51, йод-131 и др. Наиболее оптималь-
ным является применение трития, так как он входит непосредственно в
состав молекулы воды и не участвует в процессе обмена с породами, поэ-
тому он является консервативным индикатором. Его применение перспек-
тивно потому, что в ряду многих изотопов он наименее токсичен, и в нас-
тоящее время налажен выпуск сцинтилляционных лабораторных бета-
Радиометров типа СБС-1, Бета-1, предназначенных для измерения трития
в водных пробах объемом 50 мл.
Для решения ряда гидрогеологических задач используются разнообраз-
ие изотопы. Для этого изучают содержание стабильных и радиоактив-
нЬ1х изотопов естественного и техногенного происхождения. Среди ста-
бильных важнейшими являются изотопы водорода — дейтерий (2Н) и
^ислорода-18, которые входят непосредственно в состав воды. Дейтерий
(D) и кислород-18 участвуют в глобальных, региональных и частных цик-
75
лах круговорота воды в природе, которые сопровождаются количествен,
но измеримым эффектом фракционирования (разделения) этих изотопов
при фазовых переходах типа: жидкость^пар—лед. Процессы фракционц-
рования определенным образом отражаются на содержании указанных
изотопов в природных водах, в зависимости от ее происхождения и исто-
рии. В целом для атмосферных осадков наблюдается достаточно четкая
корреляционная зависимость между содержанием D и 18О в виде прямой
Крейга 6D = 8618О + 10 и со среднегодовыми температурами для данной
местности. Содержание дейтерия и кислорода-18 определяют в виде вели-
чин 6, т.е. относительных отклонений от международного стандарта средне-
,	,	..	18О/16О - (18О/16О)ГТ
океанической воды (СМОВ). Например, о О =---------Р 8 о /1 6 о)- •
Среди радиоактивных естественных изотопов наибольшее внимание
гидрогеологов привлекают космогенные и техногенные тритий (3Н,
Ti/2 — 12,25 лет) и радиоуглерод (14С,	/2 = 5730 лет). Подчеркнем,
что тритий, как и D и 18О, выходит непосредственно в состав молекулы
воды. Углерод-14 содержится в карбонатной системе подземных вод, т.е.
в ионе НСО3, растворенной СО2 и ионе СО3. Их содержание в атмосфер-
ных осадках известно, и это является основой идентификации подземных
вод и гидрогеологических систем, так как тритий и радиоуглерод в под-
земных горизонтах только распадаются [41].
Следующая группа изотопов, широко используемая в практике гидро-
геологических исследований, это радиогенные изотопы — изотопы се-
мейства урана и тория. Среди них наиболее широко используются
уран-234 и 238, радий-226 и радон-222 и ряд других.
Из всех перечисленных изотопов D, Т и отчасти 18О являются консер-
вативными, т.е. не взаимодействующими с породой. Хотя радиогенные
изотопы и 14С в процессе взаимодействия воды с породой могут изменять
свой состав, но тем не менее их изучение позволяет получить ценную ин-
формацию о генезисе и динамике подземных вод.
Исследования с использованием естественных изотопов включают:
опробование подземных и поверхностных вод, а в некоторых случаях
и атмосферных осадков; анализ и интерпретацию данных изотопного сос-
тава с использованием имеющихся гидрогеологических и гидрогеохими-
ческих данных.
Изотопное опробование осуществляют путем отбора проб из водопун-
ктов и водопроявлений, приуроченных к изучаемому объекту или району
работ. Общая стратегия опробования предусматривает опробование ос-
новных водотоков и водоносных горизонтов, основных типов подземных
вод, охват зоны питания, транзита и разгрузки, включая искусственные
сооружения — каптажи, скважины, водоотливы, дренажи, водохранилища
и т.п.
Оценка генезиса и локализация зон питания подземных вод осущест
вляется путем сравнения изотопного состава изучаемых вод с водами
выявленных и предполагаемых источников (зон) питания. При этом для
стабильных изотопов учитывают возможные процессы смешения вод раз-
76
ного генезиса, возможные изменения концентрации трития и радиоугле-
рода вследствие их радиоактивного распада и изменения содержания на
вХодах гидрогеологических систем. При использовании радиоуглерода,
и3отопов урана-234 и 238, радия-226 и других необходимо учитывать воз-
можные эффекты взаимодействия в системе вода — порода: растворение,
выщелачивание, изотопный обмен, эманирование и т.п.
Воды зон современного питания характеризуются высоким содержа-
нием трития, радиоуглерода; дейтерий и кислород-18 содержатся в них в
количествах, характерных для атмосферных осадков и поверхностных
вод; в самих осадках и поверхностных водах, иногда в грунтовых водах,
наблюдаются сезонные колебания содержания D и 18О. Это позволяет
оценивать сезон максимального питания, так как среднегодовые содержа-
ния D и 18О существенно зависят от среднегодовой температуры в зоне
питания атмосферными осадками. Возможна идентификация питания
водоносных горизонтов в эпохи оледенения. На этом же эффекте основан
прием оценки высотной приуроченности областей питания в горных райо-
нах. В аридных и полуаридных зонах может быть дифференцировано сов-
ременное (или в прошлом) питание поверхностными водами в условиях
сильного испарения, так как в этом случае экспериментальные точки рез-
ко отклоняются вправо от прямой Крейга.
Хорошим диагностическим критерием является так называемый
„кислородный сдвиг", т.е. отклонение вправо — вниз от прямой Крейга
экспериментальных точек на диаграмме 5D — о18 О, если воды проходят
стадию глубинной циркуляции в условиях повышенных температур и
усиления эффекта изотопного обмена между кислородом воды и вмещаю-
щих пород. В обычных температурных условиях подземные воды насле-
дуют состав по D и 18О, характерный для зон питания.
Для определения времени пребывания тп или времени добегания тЛ
подземных вод в изучаемых природных объектах данные изотопного оп-
робования интерпретируются на основе следующих физико-математичес-
ких моделей — систем: с поршневым вытеснением (СПВ); с диффузион-
ным перемещением (СДП); с полным перемешиванием (ССП). Входные
и выходные изменения концентрации изотопных компонентов для указан-
ных систем определяются по соответствующим уравнениям [41].
Оценка пропорций смешения вод, вовлекаемых в рудные водоотливы,
осуществляется путем сравнения изотопного состава вод предполагаемых
источников и водоотливов. Допустим, что в шахтный водоотлив вовлека-
ются воды двух типов с расходами qx и q2, и содержание в них некоторо-
го изотопа равно соответственно сх и с2. Нетрудно показать, что
Я\ = q ——-------; q2 — q ---------, где q и с — расход и содержание
С1 ~ С2	С1 ~ С2
изотопа в суммарном водоотливе. Разумеется, что при таких оценках
нужно учитывать возможный распад изотопов и погрешности определения
содержания изотопов, а также наличие неучтенных источников вод смеше-
ния.
Формирование водопритоков оценивается путем постановки режим-
ных наблюдений за изменением изотопного состава вод в водоотливе.
77
Например, если предположить, что в водоотливе, в силу принятой схемы
отработки месторождения и геологических условий, повышается дол8
поверхностных вод, то содержание изотопов будет все более приближать,
ся (время пребывания будет уменьшаться, концентрация трития, радио,
углерода возрастать и т.п.) к таковым для поверхностных вод, дренируй
мых выработками, и наоборот. Экстраполируя наблюдаемые зависимости
концентраций изотопов во времени либо, более точно, применяя приведен,
ные выше соотношения с учетом ожидаемого суммарного водоотлива,
можно оценивать изменение доли различных источников, вовлекаемых
в водоотлив. Одновременное использование нескольких изотопов позво.
ляет повысить достоверность таких оценок.
Оценка скорости движения подземных вод, коэффициента фильтра,
ции и коэффициента водопроводимости может быть осуществлена по дан-
ным изотопного опробования подземных вод, вовлекаемых в откачку,
водоотлив, дренаж и т.п.
Представленная здесь информация не исчерпывает всех известных и
опробованных вариантов решения практических задач гидрогеологии
месторождений. В заключение еще раз подчеркнем, что наиболее эффектив-
но применение методов с использованием естественных изотопов, искус-
ственных индикаторов и других ядерно-физических методов при их ком-
плексировании между собой и с традиционными методами.
ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Инженерно-петрографические исследования. Литологические, петро-
графические и фациальные исследования проводятся с целью: выяснения
инженерно-геологических особенностей строения массивов горных пород;
прогнозирования инженерно-геологических свойств пород (прочностных,
деформационных, способности к расслоению, трещинообразованию) на
основании установления корреляционных зависимостей изменчивости
свойств от основных петрографических особенностей пород; использо-
вания при определении объемов опробования и выборе рациональных
схем размещения проб.
Петрографическое изучение проводится по основным литологическим
и петрографическим типам пород, выделенным на месторождении и под-
лежащим опробованию на определение физико-механических свойств.
Отбираемые на изготовление прозрачные шлифы образцов пород должны
быть максимально приближены по составу ко всей пробе в целом. В случае
неоднородности породы в пределах пробы, необходимо описывать зако-
номерности изменения состава и строения и отбирать образцы на петро-
графические исследования из каждой ее части.
При микроскопическом описании шлифов осадочных пород необхо-
димо указывать: содержание обломочной (песчано-алевритовой) при-
меси; размер зерен (предел колебаний и преобладающее значение); сте-
пень сортировки и окатанность, особенности распределения в породе,
структурные взаимоотношения зерен, а также зерен и цемента; минераль-
ный состав; количество, тип и состав цемента; наличие и содержание раз-
78
личных включений (карбонатов, углефицированных остатков и т.д); со-
держание вторичных минералов (кварц, серицит, хлорит) ; интенсивность
развития структурных преобразований путем подсчета протяженности
вНовь образуемых контактов зерен.
Для изверженных и метаморфических пород необходимо отмечать:
минеральный состав (содержание основных породообразующих минера-
лов) ; количественные соотношения основной массы и вкрапленников;
текстурные особенности (слоистость, ее тип, степень сланцеватости, тип
и степень ориентированности отделеных структурных элементов) ; струк-
турные особенности пород (размеры, форму, взаимоотношение отдельных
зерен, а также зерен и цемента) ; содержание вторичных минералов (осо-
бенно глинистых, слюдистых, хлоритовых, ослабляющих породу), разви-
вающихся по породообразующим минералам и основной массе.
Для проведения количественных подсчетов в шлифах рекомендуется
использование микроскопов в сочетании с автоматическими регистрирую-
щими устройствами. Данные микроскопического описания пород и опре-
деления их свойств сводятся в общую таблицу. Результаты изучения
петрографических особенностей породы используются для: уточнения наз-
ваний макроскопически выделенных основных петрографических типов
пород; определения петрографических критериев с целью установления
фациальной принадлежности пород, влияющей на свойства и поведение
пород в горных выработках; получения качественной и количественной
оценки петрографических особенностей состава и строения пород, влияю-
щих на их свойства; установления корреляционных связей между петро-
графическими факторами и показателями физико-механических свойств;
выделения инженерно-петрографических групп пород.
При петрографическом изучении пород также необходимо давать ка-
чественную и количественную оценку их микротрещиноватости. Изучение
микротрещин проводится в стандартных шлифах или шлифах больших
размеров, а также в образцах с пришлифованными поверхностями.
Качественная характеристика микротрещин заключается в описании
формы (прямолинейные, ровные, извилистые, зазубренные, ступенча-
тые); степени открытости: волосовидные, очень узкие (0,01—0,05 мм),
узкие (0,05—0,15 мм), широкие (более 0,15 мм) ; наличия заполнителя,
его состава и состояния; направления по отношению к слоистости породы
(горизонтальные, вертикальные, наклонные) ; характера разветвления
(перистые, дендритообразные, елочковидные). При изучении микротре-
Щиноватости необходимо отмечать отношение трещин к структуре поро-
ды: огибание зерен или их пересечение.
Количественная характеристика заключается в оценке удельной протя-
женности трещин: отношение суммарной протяженности трещин в шлифе
к его площади. Определяются также коэффициент микротрещиноватости,
вычисляемый по формуле /гтр = (b//S) 100 %, где b — раскрытость трещин,
— длина трещин, S — площадь шлифа.
При инженерно-петрографических исследованиях возможно примене-
ние микроструктурного анализа [26] . Методика этого анализа требует
отбора ориентированного керна и изготовления ориентированного по
79
странам света шлифа. Замеры ориентировки оптических осей минералов,
в частности кварца, позволяют определять направление тектонических воз-
действий и восстанавливать условия формирования и распределения
напряжений в массивах горных пород.
Для выяснения особенностей состава и строения пород, влияющих на
их инженерно-геологические свойства (гранулометрический, минеральный
и химический состав глин, состав поглощенных катионов и т.д.), петро-
графические исследования на детальной стадии разведки рекомендуется
сопровождать рентгеноструктурными, химическими, термическими и
электронно-микроскопическими анализами пород.
Методы определения прочностных, деформационных и физических
свойств полускальных и скальных пород. Изучение свойств пород прово-
дится с целью получения расчетных показателей, используемых при оцен-
ке инженерно-геологических условий отработки месторождений и проек-
тировании горнорудных предприятий. При лабораторных исследованиях
свойств горных пород определяются следующие показатели: прочност-
ные — предел прочности при сжатии, растяжении, срезе и изгибе; кре-
пость; абразивность; деформационные — модули упругости и пластич-
ности, коэффициент Пуассона; физические — плотность, объемная масса,
пористость, влажность и водопоглощение [22, 26].
Прочностные свойства пород, в зависимости от достоверности и точ-
ности испытаний, определяются грубыми, упрощенными и нормальными
методами. Грубые методы обеспечивают достоверность определений 80 %,
упрощенные — 80—85 % и нормальные — 85—95 %. Как правило, в лабора-
торных условиях свойства пород определяют упрощенными и нормаль-
ными методами испытаний.
При определении прочностных свойств пород нормальными метода-
ми рекомендуется использовать следующие [24, 40, 43, 47] .
1.	Метод определения предела прочности при одноосном сжатии образ-
цов цилиндрической формы с отношением высоты образца к его диа-
метру, равным 1 (ГОСТ 21153.2-84).
2.	Метод определения предела прочности при одноосном растяжении
цилиндрических образцов с отношением высоты к диаметру, равным 1
(ГОСТ 21153.3-75).
3.	Метод комплексного определения пределов прочности при много-
кратном раскалывании и сжатии (ГОСТ 21153.4—75) получил наибольшее
распространение на стадии разведки месторождений. Достоинством мето-
да является возможность проведения испытаний на пробах весьма ограни-
ченного объема, что уменьшает влияние неоднородности пород и снижает
стоимость испытаний. Построение паспортов прочности горных пород ре-
комендуется осуществлять при этом по методу, рассмотренному в прило-
жении к указанному ГОСТ 21153.4—75.
При испытаниях слоистых или рассланцованных пород определения
предела прочности необходимо проводить как вдоль слоев или поверх-
ностей рассланцевания, так и перпендикулярно к ним.
Определения предела прочности пород рекомендуется выполнять
как при лабораторной влажности, так и в водонасыщенном состоянии.
80
При определениях в водонасыщенном состоянии замачивание образцов
следует проводить в воде, отобранной на месторождении. Допускается
проводить замачивание в искусственно приготовленных растворах, анало-
гичных по своему химическому составу и показателю pH водам месторож-
дения.
4.	Метод определения показателей прочности при сжатии образцов
произвольной формы нагружением сферическими инденторами (ГОСТ
24941—81). Метод является основным при массовых испытаниях как в
лабораторных, так и в полевых условиях. Сущность установления преде-
ла прочности пород при этом заключается в расчете его значений по уста-
новленным корреляционным зависимостям между пределом прочности
при одноосном сжатии и растяжении образцов правильной формы и пре-
делом прочности образцов произвольной формы, полученным при нагру-
жении образца встречными соосными сферическими инденторами. Опре-
деление объемной прочности горных пород [40] проводится в стабило-
метрах различных моделей, позволяющих создавать боковое и осевое
давление соответственно от 15 до 250 МПа и более. При этом определяют-
ся коэффициент сцепления и угол внутреннего трения. Данные испытания
рекомендуется проводить при решении специальных вопросов на пред-
ставительных пробах.
5.	Метод определения предела прочности пород при срезе (ГОСТ
21153.5—75) позволяет получать данные для расчета величин сцепления
и угла внутреннего трения пород.
6.	Метод определения предела прочности при изгибе (ГОСТ 21253.6—
75). Показатель прочности пород при изгибе имеет ограниченную область
применения при проектировании горных работ. Им испытывается 3—5 %
проб общего их числа по месторождению.
7.	Метод определения прочности на одноосное растяжение строго
центрированной нагрузкой [47]. Так как эти показатели используются
при специальных видах проектирования (стволы шахт, уклоны и т.д.),
количество определений составляет 3—5 % общего числа проб.
Достоверность определений прочностных свойств горных пород, полу-
чение показателй которых основано на законах упругих сред, контроли-
руется определением коэффициента крепости пород по Протодьяконову.
Данный коэффициент устанавливает нижнюю границу, выше которой
показатели прочности на разрыв, сжатие, срез и изгиб будут теоретически
обоснованы.
8.	Метод определения крепости методом толчения (ГОСТ 21153.1 —
75). Метод является грубым и применяется только в случае невозмож-
ности использования других методов (например, при отсутствии пород-
ных проб необходимой величины для изготовления образцов требуемых
геометрических размеров). Кроме того, метод пригоден лишь для испыта-
ний пород с прочностью не более 80 МПа. Основан он на корреляции зна-
чений предела прочности горных пород при одноосном сжатии и показате-
лей энергии их дробления.
Коэффициент крепости определяется и расчетным способом — по
величине временного сопротивления породы сжатию. В этом случае реко-
6-5190
81
мендуется пользоваться формулой f — тсж/140, где f — коэффициент
крепости; тсж — временное сопротивление сжатию МПа; 1/140 — среднее
значение коэффициента пропорциональности между f и тсж (меняется от
1/125 для осадочных до 1/170 для изверженных пород) .
Абразивность как свойство горной породы истирать поверхность
трущихся о нее рабочих инструментов определяют по степени весового
износа при истирании образца горной породы о наждачную шкурку или
трущегося о горную породу стального стержня или кольца. Испытание
производятся на серийно выпускаемой машине ПОАП-2. Определение
абразивности горных пород сверлением производится на приборе ПТА
[43].
Существуют две основные группы методов определения деформа
ционных свойств: статические (постоянная скорость нагружения) и
динамические (акустические). По результатам испытаний определяют
упругие продольные и поперечные деформации, которые позволяют рас
считывать модуль общей деформации EQl модуль упругости £у, модуль
сдвига G и коэффициент Пуассона /2.
1. Статический метод ускоренного определения деформационных
свойств горных пород разработан ВНИМИ [40], модернизирован и апро
бирован ВСЕГИНГЕО на различных типах пород. В процессе ступенчатогс
нагружения получают изменения скоростей продольных волн в направле
нии прозвучивания. По результатам измерения продольных и поперечных
деформаций рассчитываются значения длительной прочности пород, ста
тического модуля упругости и коэффициента Пуассона.
2. Динамический метод определения упругих свойств горных пород
(ГОСТ 21153.5—75) позволяет по скоростям продольных и поперечных
волн рассчитывать динамический модуль упругости, динамический модуль
сдвига и коэффициент Пуассона.
При оценке анизотропии свойств при испытаниях слоистых или рас
сланцованных пород измерения скоростей продольных и поперечных
волн необходимо проводить в двух направлениях: вдоль и перпендику
лярно к слоистости или плоскостям рассланцевания.
Изучение физических свойств горных пород включает определения
удельной плотности и объемной массы (ГОСТ 5181-78, ГОСТ 5182—78),
а также пористости, влажности и водопоглощения (ГОСТ 5180—75).
Окончательная обработка результатов определений физико-механичес-
ких свойств горных пород производится методами математической ста-
тистики.
Методы определения прочностных, деформационных, физических и
физико-химических свойств несвязных и связных пород. Выделяются
прямые и косвенные показатели свойств несвязных и связных пород,
определяемые при разведке месторождений и необходимые для целе^
проектирования горнодобывающих предприятий. К числу прямых, исполь
зуемых при расчетах, относятся: прочностные и деформационные показа-
тели, объемная масса, коэффициент фильтрации, угол естественного отко-
са, липкость, набухаемость. Косвенными показателями, используемыми
для вычисления прямых показателей и приближенной оценки возможного
82
поведения пород при взаимодействии с сооружением (на основе корреля-
ционных связей между косвенными и прямыми показателями), являют-
ся: плотность, естественная и гигроскопическая влажность, гранулометри-
ческий и микроагрегатный состав, пределы пластичности, пористость,
степень влажности, показатель уплотненности, размокание.
Методы лабораторных исследований и основные характеристики при-
боров и оборудования, используемых для этих целей, регламентированы
соответствующими гостами, а статистическая обработка результатов опре-
делений — ГОСТ 20522—75.
Прочностные характеристики — сопротивление сдвигу т, сцепление
с и угол внутреннего трения у — рекомендуется определять одним из трех
основных лабораторных методов: одноосного сжатия, плоскостного среза
и трехосного сжатия.
1.	Метод оноосного сжатия может быть рекомендован для ориентиро-
вочной оценки прочностных свойств глинистых пород и выбора диапазона
нагрузок при последующих испытаниях с помощью плоскостного среза
или трехосного сжатия [43] . Определение проводится по ГОСТ 26447—85.
2.	Метод плоскостного среза является основным массовым видом
определения сопротивления сдвигу [26]. Он регламентирован ГОСТ
12248-78.
Для целей оценки сопротивления сдвигу глинистых пород в естест-
венных условиях схема сдвиговых испытаний должна выбираться с уче-
том максимально возможного сохранения исходной пористости и влаж-
ности. Максимальное давление на образец не должно превышать его струк-
турную прочность Рстр, и скорость деформации должна быть достаточно
высокой, чтобы не мог произойти отток воды. Структурная прочность
должна определяться по результатам компрессионных испытаний. Мини-
мальное вертикальное давление не должно вызывать растягивающих
напряжений, чтобы при сдвиговом опыте не произошел отрыв, приводя-
щий к уменьшению общего сопротивления сдвигу. При соблюдении этих
условий, расчет которых дан в работах [22, 26], зависимость между нор-
мальным и касательным напряжениями носит линейный характер.
При сдвиговых испытаниях необходимо определять пиковые и оста-
точные параметры прочности (спик, ^пик, с0СТ, ^ост)  Пиковые пара-
метры прочности характеризуют сопротивление глинистых грунтов сдвигу
при естественном залегании, не подвергшихся ранее сдвиговым деформа-
циям. При определении пиковых параметров скорость деформации долж-
на быть постоянной. Остаточные параметры прочности характеризуют
сопротивление сдвигу по образовавшейся поверхности смещения и опре-
деляются путем осуществления повторных сдвигов с целью оценки сопро-
тивления глинистых пород сдвигу по трещинам и поверхностям смещения.
Для глинистых пород слоистой текстуры полутвердой и твердой кон-
систенции испытания проводятся перпендикулярно и параллельно наплас-
тованию. При содержании обломков менее 30 % сопротивление сдвигу
Можно определять только для глинистой составляющей в сдвиговых при-
борах с площадью кольца 40 см2. При большем содержании обломочного
Материала сдвиг должен проводиться на образцах большого (20—50 см)
83
диаметра с использованием стендовых установок или на целиках в горных
выработках.
Необходимо учитывать, что в горных выработках часто имеет место
разуплотнение (набужание) глинистых пород вследствие увлажнения.
Оно приводит к снижению прочностных показателей. Поэтому необходи.
мо определять давление набухания Рн, зависимость деформации набуха-
ния ан от давления Р и учитывать влияние изменения пористости и влаж-
ности (вследствие набухания) на сопротивление глинистых пород сдвигу.
Давление набухания рекомендуется определять согласно рекоменда-
циям, изложенным в работе [43], или другими методами. Если наблю-
дается значительное изменение пористости, необходимо проводить сдви-
говые испытания разуплотненных образцов. Результаты испытаний нано-
сятся на общую диаграмму сопротивления глинистых пород сдвигу и ис-
пользуются в расчетах согласно рекомендациям, изложенным в работе
[23].
Среди разработанных и используемых приборов для лабораторных ис-
пытаний сопротивления глинистых пород сдвигу, могут быть рекомендо-
ваны: прибор ГГП-30, прибор ДОРНИИ, прибор ВСВ-25 конструкции
Гидропроекта. Последний является наиболее удачным, позволяющим
производить сдвиг с постоянной скоростью деформации.
3.	Метод трехосного сжатия в стабилометрах рекомендуется использо-
вать как дающий наиболее достоверные результаты, особенно в тех случа-
ях, когда необходимо моделировать естественное напряженное состояние
исследуемых пород. Рекомендуется использовать стабилометры конструк-
ции ЛИИЖТ, ДИИТ, Меднова (М-2), Фундаментпроекта (Ф-1) и другие
[23].
Угол естественного откоса используется для оценки устойчивости
склонов, сложенных песчаными и гравелистыми грунтами. Он дает ориен-
тировочное представление об угле внутреннего трения этих грунтов.
Определяется на приборах УВТ-2, УО конструкции Д.И. Знаменского
[23].
Деформационные характеристики — модуль общей деформации,
модуль осадки — определяются компрессионными испытаниями в одо-
метрах; коэффициент Пуассона — в стабилометрах. Деформационные
свойства глинистых, пылеватых грунтов и мелких песков в лабораторных
условиях определяются по ГОСТ 23908—79, характеристика просадоч-
ности грунтов - по ГОСТ 23161—78. Деформационные характеристики
грунтов в полевых условиях определяются по ГОСТ 12374—77. Испыта-
ния рекомендуется проводить на компрессионно-фильтрационных при-
борах ОМосГИДЭПа (конструкции Лурье), НИС Гидропроекта,
ЦНИИМПС, МГРИ, Н.Н. Маслова и др. [23, 26].
Изучение физических и физико-химических свойств пород вклю-
чает определения объемной массы, коэффициента фильтрации, набуха-
емости, липкости, плотности, влажности, гранулометрического и микро*
агрегатного состава, пластичности, пористости, степени влажности, по-
казателя степени уплотнения и размокаемости.
Объемная масса определяется по ГОСТ 5182—78 и используется для
84
расчета устойчивости бортов карьеров. Основными методами определе-
ния объемной массы являются метод режущего кольца, метод взвешива-
ния в воде или нейтральной жидкости, расчетный метод (для мерзлых
пород). При содержании фракции крупнее 2 мм (более 10 %) объемная
масса должна определяться методом режущего кольца с использованием
колец большого (50—60 см) диаметра или методом лунок.
Коэффициент фильтрации определяется в приборах 2 типов. К прибо-
рам, в которых при определении коэффициента фильтрации не учитывает-
ся влияние нагрузки (внешнего давления на грунт), относятся приборы
для несвязных (приборы Г.Н. Каменского — Г. Тимме, Д.И. Знаменского,
СПЕЦГЕО и др.) и связных слабонабухающих (прибор Г. Тимме —
Г.Н. Каменского) грунтов. Компрессионно-фильтрационные приборы,
позволяющие при определении коэффициента фильтрации учитывать вли-
яние нагрузки, используются при определении коэффициента фильтрации
глинистых пород. Это приборы конструкции Н.Н. Маслова, Н.В. Коло-
менского, Д.И. Знаменского — В.И. Хаустова (прибор ПВ), ВСЕГИНГЕО
(Ф-1М) и др. Методика исследований, приборы и методы расчетов коэф-
фициента фильтрации описаны в работах [23, 45] . Коэффициент фильтра-
ции песчаных грунтов определяется по ГОСТ 25584—83.
Набухаемость характеризует способность пород увеличить объем при
увлажнении. Определяется по ГОСТ 24143—80. Основными показателями,
характеризующими набухание, являются свободное набухание, набухание
под нагрузкой, влажность набухания и давление набухания. Влажность
и величину набухания определяют в приборе ПНТ. Давление набухания
рекомендуется определять прямыми методами на приборе конструкции
Гидропроекта или с помощью динамометров, тензодатчиков, а также
косвенными — в компрессионных приборах [26] .
Липкость, определяющая условия работы горнодобывающих машин,
рудоспусков и другого горного оборудования, определяется на приборах
конструкции В.В. Охотина и Н.А. Качинского [23] .
Плотность представляет собой отношение массы твердой компоненты
грунта к ее объему. Используется для расчетов пористости. Определяется
пикнометрическим способом по ГОСТ 5181—78.
Влажность определяет прочность и деформируемость песчано-глинис-
тых грунтов. Используется при вычислении объемной массы грунта. Опре-
деляется в лаборатории по ГОСТ 5180—75 или полевыми методами по
ГОСТ 24181-80.
Гранулометрический состав является важнейшим классификационным
показателем связных и несвязных пород. Определяется по ГОСТ 12536—
79. Гранулометрическую классификацию песчано-глинистых грунтов
рекомендуется осуществлять по В.В. Охотину.
Микроагрегатный состав характеризует вторичную дисперсность поро-
ды. Определяется также по ГОСТ 12536—79. Микроагрегатный состав
Может использоваться для характеристики структурных связей породы.
Пластичность глинистых пород используется для оценки их консис-
тенции, влияющей на прочность и деформируемость. Характеристики
пластичности (граница текучести и раскатывания) определяются по
85
ГОСТ 5183—77. Классификация глинистых пород по пластичности осущес.
вляется по СНиП 11-15—74.
Пористость определяется как суммарный объем пор в единице объема
породы и используется при расчетах сжимаемости (модуля деформации-
сцепления, угла внутреннего трения, степени плотности, водоотдачу
водопроницаемости грунтов. Пористость п и коэффициент пористости е
рассчитываются по формулам
л=Л^100%/еЛ^
7у	7с
где уу — плотность грунта; ус — объемная масса скелета грунта.
Между пористостью и коэффициентом пористости существуют следую-
щие зависимости: п =	100 %, е = jQQ_n .Пористость песков реко-
мендуется определять методом насыщения [23] .
Степень влажности kw характеризует степень заполнения пор водой.
Определяется как отношение массы воды в породе к объему пор. Исполь-
зуется при определении расчетных характеристик сопротивления грунтов
сдвигу. Рассчитывается по формулам
,	(1 - п)
kw =----1; kw = Wo/rr, kw= l/ty /е,
где W — весовая влажность; о — объемная масса; уу — плотность; п -
пористость; е — коэффициент пористости.
Показатель степени уплотнения глинистых пород в естественном зале-
гании (kd} позволяет ориентировочно судить о возможном характере
деформации глинистых грунтов. Определяется по формуле kd = (ет -
е0)/ (ет — бр), где ет, е0, ер — соответственно коэффициенты пористости
грунта на пределе текучести, в естественном состоянии и на пределе
раскатывания.
Размокаемость характеризует способность глинистого грунта терять
связность при впитывании воды. Позволяет судить о поведении пород в
горных выработках при увлажнении. Показателями размокаемости явля-
ются: время, в течение которого образец грунта, помещенный в воду,
теряет связность и распадается; характер распада (крупные или мелкие
комочки, чешуйки, пыль и т.д.). Определение размокаемости проводится
на образцах ненарушенной и нарушенной структуры в приборах ПР (кон-
струкции Д.И. Знаменского — В.И. Хаустова), КПР и др.
Глава 5
ИЗУЧЕНИЕ ФАКТОРОВ, ОСЛОЖНЯЮЩИХ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ
И ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
ИЗУЧЕНИЕ ГЛУБОКИХ ВОДОНОСНЫХ ГОРИЗОНТОВ
Основными особенностями глубоких водоносных горизонтов являют-
ся упругий водоносный режим пластов; высокие пластовые давления,,
температура и минирализация подземных вод; наличие в водах растворен-
86
цого газа, которые могут рассматриваться как совокупность факторов,
осложняющих изучение месторождений.
Упругий водонапорный режим обусловливает длительность процессов
перераспределения напоров в пласте после пуска скважин или изменения
темпа водоотбора. Поэтому при определении гидрогеологических парамет-
ров и обосновании прогнозных водопритоков в горные выработки следу-
ет пользоваться решениями для неустановившейся фильтрации жидкости.
Влияние водопонизительных систем в условиях упругого водонапор-
ного режима проявляется на десятки километров. Это требует изучения
региональной гидрогеологической обстановки и краевых граничных усло-
вий. Скорость перераспределения напоров при упругом водонапорном
режиме характеризуется коэффициентом пьезопроводности.
Пластовые давления являются одним из основных показателей, харак-
теризующих региональную динамику глубоких подземных вод, состояние
флюида в пласте в естественных условиях и при эксплуатации водопонизи-
тельных установок. Обычно пластовые давления замеряются непосредст-
венно с помощью глубинного манометра, опускаемого до продуктивного
горизонта. При отсутствии прямых замеров оно может быть найдено из
выражения
где Рп — пластовое давление; Ру — избыточное давление на устье скважи-
ны; ?у — плотность жидкости на устье скважины; 7П — плотность жидкос-
ти в пластовых условиях; Н — высота столба воды в скважине, считая от
кровли пласта.
Для обоснования региональной гидрогеологической обстановки
(например, для определения направления движения вод, положения
областей их питания или создания напоров, разгрузки и т.д) замеренные
пластовые давления в разных точках водоносного горизонта приводятся
к единой плоскости сравнения. Обычно такая плоскость выбирается на
наиболее низкой отметке фактического замера пластового давления в
скважинах. Приведенные значения пластовых давлений для каждой точки
находятся из выражения
Zi 7о + 7i z2-z{ 7i+72	Zn~zn-1 Уп-1^Уп
ПР П 1 о 2	10	2	• '	10	2
где Рпр — приведенное давление в рассматриваемой точке (скважине)
водоносного горизонта; /эг| — пластовое давление в той же точке; у0,
71, 72. • •  , Уп ~ плотности жидкости в пластовых условиях в ближайших
скважинах; zbz2, • . , zn — расстояния по оси абсцисс от исследуемых
точек до плоскости сравнения.
Если пластовые давления выше давления насыщения жидкости газом,
то обеспечивается однофазность фильтрационного потока. В противном
случае растворенный газ в пласте выделится в свободное состояние и соз-
даст дополнительные гидравлические сопротивления фильтрационному
потоку. Величины давлений насыщения жидкости газом зависят от состава
газов, температуры, минерализации и состава подземных вод. Методика
87
определения давления насыщения для различных газов изложена в рабо-
тах [16, 45].
Минерализация подземных вод существенно сказывается на ряде вод.
но-физических свойств жидкости, что, в свою очередь, влияет на фильтра,
ционные, емкостные и другие свойства водоносных пластов. С ростом ми-
нерализации увеличиваются плотность и вязкость жидкости; раствори-
мость газа и коэффициент упругой емкости, напротив, уменьшаются. Эти
показатели зависят не только от минерализации подземных вод, но и от
температуры, давления, количества растворенного газа и других фак о-
ров. Поэтому в каждом конкретном случае необходимо учитывать сово-
купность всех природных факторов. На практике в этих целях пользуются
лабораторными определениями, графиками и решениями, приведенными
в работах [16, 45] .
Высокие пластовые температуры вызывают в работающих скважинах
явление термолифта. После пуска скважин для проведения опыта темпе-
ратура жидкости на устье повышается и даже приближается к пластовой,
что приводит к созданию дополнительного напора. Это обстоятельство
необходимо учитывать как при обработке результатов опыта с целью
оценки гидрогеологических параметров, так и при обосновании проектной
величины снижения уровня водопонизительных систем. За счет термолиф-
та снижается темп падения уровня. Поэтому начальный участок графика
прослеживания за снижением уровня (давления), построенный по даннь м
замеров на устье скважины, является непредставительным для оценки
гидрогеологических параметров. В этих целях следует пользоваться участ-
ком графика, полученным после достижения стабильных показателей
температуры на устье скважины.
Если параметры рассчитываются аналитическим методом с использо-
ванием решений, включающих величину снижения уровня в скважинах,
то вводится поправка на дополнительное снижение, компенсирующая
дополнительный напор за счет термолифта. Эта поправка находится из
выражения
где AS — дополнительное снижение уровня в скважинах, суммируемое
с замеренной фактической величиной снижения этого уровня; Н — столб
воды в скважине в естественных условиях; уст, уд, уп — плотности жид-
кости соответственно на устье скважины, в стационарных условиях (в
процессе опыта), пластовых условиях.
После остановки скважины температура воды на устье падает, а плот-
ность ее возрастает. Это вызывает уменьшение темпа восстановления
уровня, а в ряде случаев наблюдается даже падение уровня с последую-
щим его восстановлением. При оценке параметров по графику прослежи-
вания за восстановлением уровня используется третий участок графика.
Если такой участок не проявляется, то вводится поправка, учитывающая
изменение плотности жидкости за счет изменения температур:
&Н = Н ——(9)
Г 2?п
88
где A/7f — поправка на температурный фактор; 7f, ?д, 7П — плотность
жидкости соответственно на устье скважины на момент замера восста-
новления уровня, соответствующая замеренной температуре t/f на устье
скважины перед ее остановкой, в пластовых условиях.
Первоначально строится график восстановления уровня по фактичес-
ким замерам в координатах S* — Igf (S* отсчитывается от положения ди-
намического уровня на момент остановки скважины) . Затем для раз-
личных периодов восстановления (не менее трех) по формуле (9) опре-
деляется Эта величина суммируется с фактической величиной вос-
становления уровня. Полученный график является расчетным для оценки
параметров.
При обосновании проектной величины снижения уровня водопонизи-
тельными установками рекомендуется фактическое положение уровня
привести к пластовым условиям. Если имеются данные о пластовом дав-
лении, то используется выражение /Упр — (10Рп) /уп, где /Упр — напор под-
земных вод, приведенный к пластовым условиям. При отсутствии прямых
замеров пластового давления (замерено только избыточное давление)
пересчет выполняется по формуле
где Ризб “ избыточное давление на устье скважины. При залегании уровня
подземных вод ниже поверхности земли второй член в формуле исключа-
ется.
Растворенный в глубоких подземных водах газ вызывает в работаю-
щих скважинах явление газлифта, что сопровождается образованием в
верхней части скважин газоводяной смеси и повышением уровня подзем-
ных вод. После остановки скважин происходит дегазация жидкости, что,
как и при термолифте, уменьшает темп восстановления уровня. Как пра-
вило, процессы термолифта и газлифта проявляются одновременно. Поэ-
тому, как и при термолифте, начальные участки графиков прослеживания
за снижением — восстановлением уровней являются непредставитель-
ными.
Повышение уровня подземных вод за счет газа может быть приближен-
но определено по преобразованной формуле Керкиса:
Л и ^0 ^0 Т ,. Рг Рг Ризб
= —7----------- (In  ---- -
'изб ' г
п
где А/7Г — поправка на газовый фактор (газовая шапка) ; Pq — атмосфер-
ное давление; Рг — давление насыщения жидкости газом; VQ — газовый
фактор; т = 1+	; t — температура газовой смеси; P^3q и Рг включают
атмосферное давление
В области вытеснения жидкости из пласта как при проведении опыта,
так и при работе водопонизительных установок количество растворенного
газа в жидкости практически постоянно. Поэтому при определении коэф-
фициентов фильтрации, водопроводимости по графикам прослеживания
89
за снижением — восстановлением уровня поправка на газовый фактор не
требуется. Эта поправка учитывается при расчате указанных коэффициен
тов аналитическими методами, включающими величину снижения уровнр.
в пласте. Она суммируется с фактически определенным снижением
уровня.
Более сложным является учет растворенного газа при выделении его
в свободном состоянии в пласте. Экспериментами, выполненными Р. Ви
ковым и М. Ботести, показано, что присутствие в порах даже от 10 до 20 %
свободного газа снижает проницаемость пород для жидкости на 30—52 %
если же газ занимает 50 % порового пространства, то проницаемость пород
для жидкости снижается на 90 %. Решения для учета фазовой проницае-
мости довольно сложные, даны в работе [16] .
Большие глубины скважин (опытных и водопонизительных) также
оказывают влияние на положение динамического уровня подземных вод.
Вызвано это различного рода сопротивлениями, которые создаются ь
эксплуатационной колонне труб при движении жидкости от забоя сква
жин к их устью, что приводит к потере части естественного напора. Учиты-
ваются потери по формуле Дарси:
Д/Утр= 1,1-ю-11 х—
где ДЯтр — потери напора в эксплуатационной колонне труб; Н — расстоя
ние от пласта до устья скважины или до приемной части насоса; Q — дебит
скважины; d — внутренний диаметр труб^Х — коэффициент сопротивле
ния, зависящий от числа Рейнольдса R2 =~—, 1/м	- скорость течения
жидкости; т? — коэффициент динамической вязкости) .
Пр, -%-< 9, 2-10-5
- °'0179
— zV0 3
а •
6,25-Ю4 -d2
а
При-^—>9,2-10~5 X = 0,21/<У°-3 .
Глубокие скважины в большинстве случаев являются несовершенны
ми по степени и характеру вскрытия водоносных горизонтов. При обосно
вании проектной величины снижения уровня необходимо вводить со
ответствующие поправки на потери напора за счет несовершенства сква
жин [16] .
В процессе бурения глубоких скважин проводится комплекс исследо
ваний, направленный на выявление обводненных пластов (зон) и на полу-
чение предварительных количественных и качественных характеристик
по этим пластам (зонам) . Исследования включают: отбор керна и шлама,
наблюдения за балансом и физико-химическими свойствами промывов
ной жидкости, опробование отдельных интервалов пластоиспытателями
скважинную геофизику.
Отбор керна и шлама выполняется для изучения литологических раз-
ностей пород; обязательным является отбор керна в водоносных породах,
а также в породах их подошвы и кровли. На образцах керна в лаборатор
них условиях в гидрогеологических целях определяются пористост;
90
пород (общая, открытая, эффективная), проницаемость и естественная
влажность; на отдельных образцах, взятых из литологической разности
водоносных пород, проводятся геохимические исследования с целью изу-
чения химического состава пород и ионно-солевого состава растворов.
Наблюдения за балансом и физико-химическими свойствами промы-
вочной жидкости проводятся для выявления водоносных интервалов
(зон). Баланс промывочной жидкости определяется путем замеров
(не реже двух-трех раз в смену) ее объема в зумпфе либо расходомера-
ми, установленными на входе в скважину и выходе. Одновременно опре-
деляются удельный вес жидкости, температура, цвет, запах и берутся
пробы на содержание хлора и других характерных компонентов.
Пластоиспытатели используются для получения в процессе бурения
скважин предварительных количественных и качественных характеристик
выделенных водоносных интервалов (зон) . Из физических характеристик
изучаются: пластовое давление, средняя эффективная проницаемость зоны
дренажа, коэффициент водопроводимости, газо- и нефтепроявления. Де-
бит жидкости замеряется либо объемным методом, либо регистрирующи-
ми глубинными дебитомерами. Водопроводимость интервала исследова-
ний определяется по кривым изменения давления при спуске и заполне-
нии испытателя пластов. Давление фиксируется глубинными регистрирую-
щими манометрами (МГМ-ЗМ, МГП-7, ПГМ-1 и др.) .
Наиболее целесообразно применять пластоиспытатели, спускаемые в
скважины на бурильных или насосно-компрессорных трубах (типа ИПГ
и КИИ) .
Геофизические исследования являются обязательным видом работ при
бурении глубоких скважин. Рациональный комплекс этих исследований
включает: исследования по всему стволу скважин в масштабе 1:500
(стандартный каротаж, радиоактивный каротаж, термокаротаж, каверно-
метрия и резистивиметрия) ; исследования в интервалах водоносного
комплекса в масштабе 1:200 (боковое каротажное зондирование, микро-
зондирование, радиоактивный каротаж, термометрия, кавернометрия) .
Вскрытие водоносных горизонтов и пластов осуществляется путем
прострела колонны и цементного затрубного кольца перфораторами. Наи-
более эффективными являются кумулятивные перфораторы, например
ПК-103, обеспечивающий диаметр отверстий 8—9 мм с проникновением
зарядов в плотную породу на 20—25 см. Оптимальной считается плот-
ность перфорации в 10—15 отверстий на 1 м мощности пласта. Вскрытие
и опробование глубоких водоносных горизонтов обычно начинаются с
нижних водоносных пластов с переходом к вышележащим пластам. Каж-
дый опробованный нижележащий пласт изолируется от вышележащего
путем установки цементных мостов. Перед началом опробования произ-
водится прокачка скважины на нескольких ступенях расхода (от мень-
шей к большей для рыхлых пород и от большей к меньшей для твердых
Пород) . Длительность прокачки на каждой ступени расхода не превышает
1 сут, но может быть и больше с учетом выноса механических примесей.
Перед началом опытных работ в скважинах должны быть восстановле-
ны пластовое давление и температурный режим. Контроль осуществляется
91
путем замеров положения уровня и температуры на устье скважины. Са-
моизливаюшиеся скважины в этих целях оборудуются фонтанной армату,
рой, на которой монтируются устьевые манометры (например, МГ-410)
и замеряется избыточное давление. Пластовое давление и температурный
режим принимаются установленными при стабильных их значениях в тече-
ние 3 сут. После достижения стабильных показаний по уровню (давлению)
и температуре глубинными манометрами (типа МГГ) замеряются плас-
товые давления и температура.
Опытные откачки из глубоких водоносных горизонтов, характеризую-
щихся упругим водонапорным режимом, проводятся на одной ступени
расхода. В процессе опыта ведутся наблюдения за снижением уровня
(давления на устье), пластового давления и температуры. Изменение плас-
тового давления фиксируется самопишущими глубинными манометрами
(типа МГИ-1, МГН-2), которые опускаются в скважину перед ее пуском
в середине откачки и перед ее остановкой. Отбираются пробы воды на хи-
мический анализ (не менее трех проб, одна из которых должна быть на
полный анализ). Перед остановкой скважины отбирается проба воды на
полный химический анализ глубинным пробоотборником (ПД-ЗМ,
ПРИЗ-2) и опускается глубинный манометр для снятия кривой восста-
новления пластового давления. Одновременно восстановление уровня
(устьевого давления) и температуры фиксируется на устье скважины.
Обязательны для глубоких скважин замеры расхода газа. В самоиз-
ливающихся скважинах в этих целях используются специальные газоот-
делители (трапы). Однако более точно газонасыщенность подземных вод
может быть определена путем отбора глубинных проб воды. Эти пробы в
лабораторных условиях на специальных установках дегазируются. Ме-
тодика дегазации и определения газонасыщенности рассмотрена в работе
[45].
Обработка результатов опытного опробования глубоких водоносных
горизонтов обычно выполняется графоаналитическим методом путем
построения графиков прослеживания за снижением—восстановлением
уровня (давления). Преимущество этого метода заключается в том, что
для определения коэффициентов фильтрации и водопроводимости он не
требует введения указанных выше поправок на термогазлифт, на потери
напоров в эксплуатационной колонне труб и на несовершенство скважин.
При определении коэффициенту пьезопроводности данным методом
эти поправки необходимо вводить. Даже использование кривых сниже-
ния — восстановления пластового давления, снятых глубинным маномет-
ром, требует введения поправок на несовершенство скважин и состояние
призабойной зоны. Рассмотренные выше приемы нахождения поправок
на снижение уровня в скважине приближенные, это, как показывает прак-
тика, приводит к существенным ошибкам в определении коэффициента
пьезопроводности. Поэтому этот коэффициент следует определять по дан-
ным замеров уровня в наблюдательных скважинах. В качестве наблюда-
тельных могут быть использованы разведочные скважины, оборудованные
на исследуемый горизонт. Опытный куст включает одну центральную
и одну или несколько наблюдательных скважин. Желательно площадное
92
оазмещение наблюдательных скважин на различных расстояниях от ден-
тальной или по лучам. Наблюдательные скважины располагаются от цен-
тральной на расстояниях не менее мощности исследуемого горизонта и до
1000 м.
Глубокие скважины после проведения опытно-фильтрационных иссле-
дований включаются в сеть режимных наблюдений. Основными показате-
лями режимных наблюдений являются глубины положения уровня под-
земных вод (или величина избыточного давления) и температура на устье.
Частота замеров этих показателей может быть меньшей, чем в скважинах
малых и средних глубин, но должна быть не реже 1 раза в месяц. Один раз
в квартал отбирается глубинная проба воды на полный химический ана-
лиз, замеряются пластовая температура и забой скважины. При глубинных
исследованиях температурный режим в скважине нарушается, поэтому
до производства очередных замеров скважину следует выдержать в спо
койном состоянии.
ИНЖЕНЕРНОТЕОЛОГИЧЕСКОЕ ИЗУЧЕНИЕ КОР ВЫВЕТРИВАНИЯ
Породы кор выветривания резко отличаются по свойствам от мате-
ринских пород массива и требуют соответствующего подхода к их изуче-
нию. В геологическом разрезе разведуемых месторождений коры вывет-
ривания следует подразделять на древние и современные. Современные
коры выветривания залегают с поверхности, имеют небольшие мощности
и не играют существенной роли при оценке условий разработки место-
рождений. Древние коры выветривания имеют крайне неравномерное
распространение, могут залегать как вблизи поверхности, так и на глуби-
не, перекрываясь более молодыми отложениями. Мощности древних кор
выветривания могут составлять десятки и сотни метров. По морфлогии
коры выветривания делятся на площадные, линейные, линейно-контакт-
ные и локальные.
Основными задачами при исследовании кор выветривания являются:
установление пространственного распространения различных генетичес-
ких типов коры выветривания; расчленение коры выветривания на зоны
дезинтеграции; изучение состава и свойств пород; получение расчетных
характеристик для каждого инженерно-геологического элемента; прог-
ноз влияния кор выветривания на условия разработки месторождения.
В комплексе инженерно-геологических работ при изучении кор вывет-
ривания предусматривается: 1) использование данных картировочного
и разведочного бурения; 2) изучение естественных и искусственных (в
карьерах, штольнях, траншеях) обнажений; 3) использование геофизи-
ческих и гидрохимических исследований в гидрогеологических скважн-
ых; 4) бурение специальных инженерно-геологических скважин для
Детального расчленения коры выветривания на отдельные зоны и опро-
бования пород для исследования их состава и свойств в полевых и лабо-
раторных условиях. При размещении скважин необходимо учитывать
характер строения кор выветривания на магматических, метаморфичес-
ких и осадочных породах и их распространение. Количество скважин дол-
93
жно быть не менее 2—3 для каждого типа коры выветривания; 5) инже
нерно-геологическая документация скважин, обнажений, шурфов, штолен
с описанием разрезов и отбором образцов преимущественно по зонам ко-
ры выветривания, выделяемым визуально в зависимости от изменения
окраски, текстуры и структуры пород, исходя из минералогического сос-
тава и изменения прочности. При описании пород должны фиксироваться:
цвет в сухом и влажном состоянии в поверхностных и внутренних частях
монолитов; вторичные изменения состава пород (замещение полевых
шпатов — каолинитом, хлоритом и слюд — гидрослюдами; образование
карбонатов, водных окислов железа, ярозита, гипса) ; степень раздроблен-
ности выветрелых пород; выделение зон дезинтеграции — тонкого дроб
ления, щебнистой, глыбовой, скрытотрещиноватой; наличие пород различ-
ных категорий прочности; присутствие трещин выветривания с их описа-
нием; 6) предварительное изучение прочностных и деформационных
свойств полевыми экспресс-методами всех выделенных зон дизинтегра-
ции; 7) опробование всех зон коры выветривания (отбор проб пород) .
Интервал опробования по скважинам может быть принят от 1,5 до 5 м
в зависимости от геологических условий. В целом из каждой зоны должно
быть отобрано не менее 15—20 образцов с нарушенной и ненарушенной
структурой; 8) изучение физико-механических свойств пород кор вывет-
ривания лабораторными методами по полному (как несвязных и связных
пород) или сокращенному комплексу (гранулометрический состав, объ-
емная масса, естественная влажность, пределы пластичности, испытание на
сдвиг, раздавливание) для каждой зоны дезинтеграции.
Для исследования физико-механических свойств пород глинистых зон
коры выветривания применима методика для песчано-глинистых пород.
Достоверные прочностные характеристики крупнообломочных пород
можно получить только при испытании образцов достаточно большого
объема в специальных стендовых установках типа сдвигового прибора
ДИИТ. Методика исследования пород глыбовой и скрытотрещиноватой
зоны кор выветривания аналогична методике исследования скальных
пород.
Определение гранулометрического состава для пород зон дезинтегра-
ции, представленных обломочными разностями, дресвяно-щебнистыми
глинами или песками, производится по этапам: количество крупных
обломков (20—100 мм) - методом грохочения, песчано-дресвяных -
ситовым методом, пылевато-глинистых — ареометрическим или пипеточ-
ным; изучение минерального и химического состава кор выветривания
комплексом методов, наиболее распространенными из которых являются
петрографические исследования и рентгеноструктурный анализ.
Применение рентгеноструктурного анализа используется для диагнос-
тики глинистых минералов и определения особенностей их структуры,
поскольку от минерального состава глин зависят их свойства. В качестве
вспомогательного диагностического метода, используемого для харак-
теристики формы частиц тонкодисперсных минералов, может быть реко-
мендован электронно-микроскопический анализ. Рентгеновские и элек-
тронно-микроскопические исследования целесообразно проводить только
на стадии детальной разведки месторождения.
94
В процессе изучения разрезов кор выветривания определяется их
морфлогический тип, степень сохранности от размыва, характер перекры-
вающих отложений, положение кор в рельефе и соотношение с уровнями
подземных вод. По результатам исследований строятся инженерно-геоло-
гические колонки и разрезы, составляется инженерно-геологическая кар-
та. В общем случае на карте (масштабы 1:5000 — 1:50 000) коры вывет-
ривания на геологической основе должны быть отражены элементы гео-
морфологии, состав и мощность (в изопахитах) коры выветривания и
перекрывающих пород. Полученные результаты изучения кор выветрива-
ния учитываются при прогнозном районировании месторождения по сте-
пени устойчивости пород.
ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ ИЗУЧЕНИЕ ЗОН
И ПОВЕРХНОСТЕЙ ОСЛАБЛЕНИЯ ПОРОД
Важными факторами, определящими устойчивость массивов пород
при горных работах, являются зоны и поверхности ослабления различ-
ного типа и порядка. Под зонами ослабления понимают пространственно
вытянутые в массиве участки пород пониженной прочности, характери-
зующиеся определенным комплексом структурно-тектонических, петро-
графических, гидрогеологических и других особенностей. Поверхности
ослабления представляют собой плоскости или поверхности иной формы
в толщах горных пород, обусловливающие блочность массива и резко
снижающие его прочностные свойства [27] .
Выделяются тектонический, литогенетический и экзодинамический
типы зон и поверхностей ослабления. К тектоническому типу, имеющему
наиболее широкое распространение, относятся: разломы и участки пере-
сечения крупных тектонических нарушений, сопровождаемые дробле-
нием, смятием и рассланцеванием пород, глинкой трения или глинисто-
обломочным материалом; участки трещиноватых пород на контактах
вмещающих пород с полезным ископаемым. С этим типом ослаблений
связаны наиболее частные и интенсивные проявления оползней, обруше-
ний и др.
Литогенетические зоны включают участки контактов петрографичес-
ки различных пород с различной способностью к выветриванию и часто
осложняют ведение работ, как и зоны тектонического типа. Ослабляющи-
ми также являются плоскости рассланцевания и отдельности. К ним при-
урочены явления оплывания, реже вывалов и обрушений. Экзодинами-
ческий тип зон и поверхностей ослабления включает коры выветривания,
а также поверхности погребенных форм рельефа.
При исследовании зон и поверхностей ослабления необходимо изу-
чить: тип, пространственное расположение, выдержанность, характер,
строение, мощность, приуроченность к различным типам пород и связь
со структурно-тектоническим строением месторождения; характер нару-
шения пород — дробление, смятие, рассланцевание с указанием мощности
различно измененных зон; наличие, состав и степень цементации заполня-
ющего материала; физико-механические свойства заполнителя трещин
95
в связи с его составом, строением, трещиноватостью и обводненностью;
приуроченность наблюдавшихся инженерно-геологических явлений и про-
цессов к определенным типам зон и поверхностей ослабления.
Исследования глинисто-обломочного заполнителя должны включать
определение: минерального и гранулометрического состава, влажности
объемной массы, плотности, пределов пластичности, скорости размока
ния, коэффициента фильтрации, сцепления, угла внутреннего трения,
величины набухания под нагрузкой, давления набухания.
При невозможности отбора образцов естественного сложения допус
кается проводить определение прочностных характеристик на образцах
нарушенной структуры. При этом образцы должны уплотняться до порис
тости, соответствующей природной. Следует отметить, что на основе опре-
деления пористости образцов естественного сложения и анализа компрес
сионных кривых для образцов нарушенного сложения можно получить
примерные величины давлений, действующих на заполнитель в естествен
ных условиях залегания, т.е. ориентировочно оценить напряженное сос
тояние массива.
ИЗУЧЕНИЕ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВА ПОРОД
Напряженное состояние массива пород характеризуется совокуп
ностью действующих в нем напряжений. При его изучении проводятся
определения главных направлений и абсолютных или относительных ве-
личин напряжений в массиве пород.
К числу признаков, свидетельствующих о существовании напряжений
в массиве пород, относятся: в горных выработках — характер трещинова
тости, сдвижение, выпирание, шелушение, стреляние пород, горные удары
и т.д.; в буровых скважинах — дискование керна и изменение диаметра
ствола.
Существуют три основные группы методов изучения напряженного
состояния: натурные наблюдения и измерения, моделирование, аналити-
ческие.
Методы натурных наблюдений и измерений включают визуальный
наблюдения, тензометрические (прямые) и геофизические (косвенные)
методы. Основой визуальных наблюдений является фиксация перечис-
ленных выше признаков, свидетельствующих о существовании напряже-
ний в исследуемом массиве пород. На основе визуальных наблюдений
выбираются методики инструментальных исследований и места проведе-
ния этих исследований.
Тензометрические методы основаны на измерении деформаций и
последующих расчетах по ним напряжений. Вопросы методики и аппара-
турного обеспечения тензометрических исследований напряженного сос
тояния пород изложены в работах [2,48] . С помощью тензометрических
методов определяются абсолютные значения напряжений в исследуемом
массиве пород и изменение напряжений во времени. Определение абсо
лютных значений напряжений пород может быть рекомендовано с по-
мощью методов полной или частичной разгрузки.
96
Метод полной разгрузки основан на использовании характеристики
упругого восстановления некоторого элемента природного массива в
результате разгрузки этого элемента от действовавших в нем напряже-
ний. Он применяется в двух вариантах: торцевых измерений и соосных
скважин. Сущность варианта торцевых измерений сводится к измерению
деформаций упругого восстановления породы на забое скважины, пробу-
ренной в направлении одного из главных напряжений после полной раз-
грузки. Разгрузка осуществляется путем обуривания торца скважины
с наклеенными на нем тензометрическими датчиками на глубину, доста-
точную для снятия напряжений с торца керна (обычно глубина составляет
1,5—2 диаметра керна). По деформациям, измеренным с помощью тензо-
датчиков, зная упругие константы, определенные на образцах извлечен-
ного керна, вычисляют наибольшее и наименьшее главные и наибольшее
касательное напряжения в плоскости торца скважины, выражаемые в
паскалях, мегапаскалях. Для определения полного тензора напряжений
(Oi, с?2 и о3) необходимо бурение двух взаимно перпендикулярных
скважин.
Методика измерений и формулы расчета напряжений изложены в рабо-
те [48]. Рекомендуется вместо датчиков сопротивления использовать
фотоупругие тензометры, способствующие повышению точности измере-
ний и уменьшению трудоемкости работ. Странами-членами СЭВ разрабо-
тан и серийно выпускается унифицированный комплект измерительной
аппаратуры УКР-72 [2, 48] . Отдельные образцы приборов изготавли-
ваются ВНИМИ (г. Ленинград), ГОИ КФ АН СССР (г. Апатиты).
Метод соосных скважин основан на определении деформации упругого
восстановления скважины малого диаметра, обуриваемой скважиной
большого диаметра с целью снятия напряжений. Тензодатчики, приклеен-
ные к стенкам центральной скважины, фиксируют деформации стенок
после снятия напряжений (схема Лимана); либо с помощью деформо-
метра фиксируется изменение ее диаметра (схема Хаета). Затем по изме-
ренным деформациям вычисляют главные и касательное напряжения.
ВНИМИ разработан необходимый комплект аппаратуры и оборудо-
вания [2]. На базе И ГД СО АН СССР организовано серийное производст-
во унифицированного комплекта измерительной аппаратуры (УК-„Тен-
зор").
Метод частичной разгрузки основан на измерении деформаций, вызван-
ных перераспределением напряжений вблизи отверстия, разгружающего
массив, и расчетов по ним величин и направлений главных нормальных
напряжений. Измерение деформаций осуществляется с помощью деформо-
метров или тензометрических датчиков, закрепляемых в стенке горной
выработки.
Помимо определений абсолютных значений напряженного состояния
часто возникает необходимость измерения изменений напряжений по
времени в процессе разведки и отработки месторождений. Для этих целей
Рекомендуется использование различных деформометров, позволяющих
Регистрировать продольные и поперечные деформации стенок скважин и
их диаметра. Разработано большое число разнообразных деформометров
7-5190
97
[2] . Наиболее пригодны из них гидравлические и фотоупругие датчики
В последние годы начаты исследования с помощью усовершенствован
ных гидродатчиков и в крепких скальных породах методом гидравличес
кого разрыва стенки скважины. Для этих целей используются гидравли
ческие датчики (пакерные и беспакерные зонды), способные работать при
больших давлениях — до 200 МПа и более.
Фотоупругие датчики, работающие как упругие включения, изготав
ливаются в виде диска или толстостенного цилиндра из оптически актив
ных материалов. Они крепятся в буровых скважинах и деформируются
совместно с породой. Возникшее при этом в датчике поле напряжений
изучается с помощью полярископа. Напряжения определяются по фор
мулам, приведенным в работе [2] .
Среди геофизических методов изучения напряженного состояния наи
более широко используются сейсмические и электрометрические иссле
дования [2, 48] . Преимуществами геофизических методов исследований
являются их высокая мобильность, компактность оборудования, возмож
ность получать интегральную картину напряженного состояния.
Из сейсмических методов могут быть рекомендованы — ультразвуке
вое прозвучивание в параллельных шпурах, ультразвуковой каротаж сква
жин и ударно-сейсмические исследования. Ультразвуковой метод получил
широкое распространение [2] . Аппаратура, применяемая для данного
вида исследований, состоит из регистрирующего блока (серийные ультра
звуковые приборы типа УКБ-1, УК-1ОП) и скважинных или шпуровых
зондов. Для этих целей также могут быть использованы шахтный ультра
звуковой прибор ШУП-1, разработанный и изготавливаемый Институтом
геотехнической механики АН УССР, и ультразвуковая шахтная станция
СБ-22 (ШУС) конструкции ВНИМИ. В качестве недостатка ультразвуке
вого метода необходимо указать малую базу измерения (0,5—3 м).
Ударно-сейсмические исследования лишены этого недостатка. При
частоте колебаний, обычно не превышающих 100 Гц, база измерений здесь
может быть увеличена до десятков метров, что позволяет получать инте
тральную картину существующих физических полей. При этом методе
используются сейсмостанция ,,Поиск" и другая серийно выпускаемая
аппаратура.
Сейсмоакустический (звукометрический) метод исследования реко
мендуется использовать для прогноза предельного напряженного состо
яния с целью предупреждения опасных динамических проявлений горного
давления. Метод основан на регистрации микроразрушений в некоторой
части исследуемого массива под влиянием напряженного состояния »
позволяет качественно судить о величинах напряжения. Для производства
измерений могут быть рекомендованы: звукометрическая станция СБ-3
разработанная ВНИМИ; серийно выпускаемая звукоулавливающая аппа
ратура ЗУА-4, ЗУА-5, разработанная И ГД им. А.А. Скочинского; перенос
ная портативная сейсмоакустическая станция ЭУ-7, разработанная
ВНИМИ [2] .
Электрометрический метод основан на исследовании зависимости
электрического сопротивления пород от напряженного состояния
98
(ГОСТ 25494—82) . Для исследований может быть рекомендована серийно
выпускаемая аппаратура типа ИКС-1, шахтная аппаратура типа АШЭС-1
И АБЭШ-1, разработанные ВНИМИ [2], шахтный искробезопасный изме-
ритель электросопротивления ШИС-1, разработанный ИГТМ АН УССР.
В качестве эталона для установления тарировочных зависимостей между
геофизическими показателями и напряжениями в массиве выполняют
тензометрические измерения.
Из группы методов моделирования рекомендуются два основных
вида — физическое и аналоговое моделирование [48] . Наиболее широко
используются методы: поляризационно-оптический, эквивалентных ма-
териалов, центробежного моделирования.
Аналитические методы основаны на построении математических мо-
делей исследуемого массива с использованием законов механики сплош-
ной и дискретной сред, теории упругости и пластичности [48] . Наиболь-
шее распространение получили методы вариационно-разностный и конеч-
ных элементов, позволяющие использовать математический аппарат ли-
нейной алгебры, минуя стадию составления дифференциальных уравнений.
Алгебраические уравнения, в свою очередь, успешно решаются с помощью
ЭВМ. Использование аналитических методов рекомендуется для предва-
рительной оценки полей напряжений массивов пород, когда имеются дан-
ные об их физико-механических свойствах.
Переходя к общим рекомендациям, следует отметить, что на стадии
поисков и предварительной разведки изучение напряженного состояния
ограничивается визуальными наблюдениями за поведением пород в сква-
жинах и горных выработках. На стадии детальной разведки, наряду с ви-
зуальными наблюдениями, рекомендуется проводить и инструментальные
исследования напряженного состояния пород. Инструментальные иссле-
дования проводятся на месторождениях, залегающих на больших глуби-
нах и характеризующхся существенно неравномерным и изменчивым рас-
пределением главных напряжений. При этом рекомендуется сочетание
одного из тензометрических методов, позволяющего определять направле-
ния и абсолютные величины напряжений в отдельных точках исследуемого
массива, с геофизическими исследованиями, дающими интегральную кар-
тину напряженного состояния пород.
Результаты изучения напряженного состояния должны отражаться
путем картирования зон с различным уровнем напряжений в массивах
горных пород и разной ориентировкой главных (т.е. наибольших по
абсолютным значениям сжимающих и растягивающих нормальных и
наибольших касательных) напряжений.
ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ ИЗУЧЕНИЕ ГЛУБОКИХ ГОРИЗОНТОВ
Проведение глубоких подземных выработок сопровождается наи-
более активным нарушением естественного равновесия пород, что порож-
дает разнообразные процессы и явления (выдавливание пород, горные
Удары, стреляние и внезапные выбросы пород и газа) . На больших глуби-
нах (ориентировочно свыше 600—800 м) указанные процессы в макси-
99
мальной степени зависят от величины напряженного состояния пород
При документации керна глубоких разведочных скважин необходимо
отмечать интервалы повышенно напряженных пород, в которых при буре.
нии происходит разделение керна на диски выпукло-вогнутой формы
Подобное разделение керна на диски было установлено при бурении глу.
боких скважин на многих месторождениях. Плоскости образующихся
дисков всегда перпендикулярны к оси скважин, а толщина при этом зна-
чительно меньше диаметра. Выпуклость дисков направлена в сторону за.
боя скважин. На кусках керна, не разделившихся на диски, необходимо
фиксировать наличие характерных кольцевых трещин, как бы опоясы-
вающих породный цилиндр. Следует отмечать также процесс распада
весьма прочных пород на отдельные столбики, ограниченные седловидной
выпукло-вогнутой поверхностью. Фиксацию появления этих поверхн-
ностей следует проводить через 2—3 дня в течение 30—45 дней (чем проч-
нее порода, тем более продолжительным должен быть период этих наблю-
дений) . По результатам наблюдений строится график, отражающий интен-
сивность распада породы во времени. К участкам с максимальной интен-
сивностью распада пород приурочены аномалии высоких напряжений.
При инженерно-геологическом изучении глубоких разведочных сква-
жин более важно, чем в других случаях, чтобы максимальный объем ис-
следований физико-механических свойств пород проводился в полевых
условиях непосредственно после подъема кернового материала. В лабора-
торных условиях проводятся контроль результатов полевых исследований
и специальные исследования реологических свойств пород. Консервация
проб осуществляется с помощью термобарокамеры в целях сохранения
первоначальных влажности и термодинамического состояния пород.
Реологические свойства горных пород могут проявляться в виде пол-
зучести, релаксации напряжений и длительной прочности. Релаксация на-
пряжений и ползучесть, протекающая без нарушения сплошности горных
пород, изучаются методами, применяемыми в исследованиях реологичес-
ких свойств металлов, строительных материалов [13]. При напряжениях,
близких к предельным, с течением времени происходит разрушение гор-
ных пород. Реологические свойства в этом случае исследуются при посто-
янно действующих напряжениях и температуре [11. Каждая проба, посту-
пающая на испытание, состоит из 15—20 образцов-цилиндров горных по-
род с высотой, равной 1,5 диаметра керна. Реологические свойства иссле-
дуются на пружинных прессах типа ПГ-15.
К особенностям изучения пород в глубоких разведочных скважинах
относится определение их теплофизических свойств. В общем случае
температура пород определяется по уравнению
tH tf,0+ гст '
где tH — температура пород на заданной глубине; thQ — температура пород
на глубине Ао; Н — заданная глубина; hQ — глубина залегания слоя пос-
тоянной среднегодовой температуры; Гст — геотермическая ступень-
Для прогнозирования инженерно-геологических условий глубоких
100
горизонтов могут применяться в той или иной мере различные методы.
Эффективным методом обобщения исходных данных для прогнозирова-
ния является составление прогнозных инженерно-геологических карт.
Эти карты должны представляться как модель глубокозалегающего мас-
сива пород с наиболее характерными свойствами, выраженными как в
графической, так и в математической форме с учетом возможности прове-
дения вычислительных операций на ЭВМ. Они.должны отражать измене-
ние свойств пород и влияние на устойчивость пород природных факторов.
При анализе многофакторных процессов должна устанавливаться
теснота связи между основными факторами и прогнозируемой устойчи-
востью пород, выражающейся через коэффициент устойчивости.
Коэффициент устойчивости kt пород кровли или почвы полезного ис-
копаемого определяется по формуле
асж 9L
к  — А ——-------
Ki м ун
где А — показатель анизотропии упругих свойств пород (безразмерная
величина) . Определяется по отношению показателей прочности пород на
разрыв или скорости упругих волн в двух взаимно перпендикулярных
направлениях; осж — прочность пород на сжатие; д — коэффициент
структурного ослабления за счет трещиноватости, принимается по табл.2;
L — коэффициент текстурного ослабления пород за счет слоистости, слан-
цеватости (см. табл. 2) ; Н — глубина залегания пород; 7—плотность
пород.
Таблица 2
Коэффициенты структурного и текстурного ослабления пород
Т рещиноватость	Слоистость		
Харакеристика пород	д	Характеристика пород	L
Нетрещиноватые	1,0	Без слоистости и сланцеватости	1,0
Слабо трещиноватые		Слабослоистые или слабослан-	
(1 —2 тр/м)	0,8	цеватые (2—3 сл/м)	0,9
Трещиноватые (3—5 тр/м)	0,7	Слоистые, сланцеватые	
		(3—5 сл/м)	0,85
Сильно трещиноватые		Сильнослоистые (более 5 сл/м)	
(более 5 тр/м)	0,6		0,75
По коэффициенту устойчивости породы делятся на весьма неустой-
чивые (к < 0,5); неустойчивые (к 0,5—1); относительно устойчивые
(к 1—1,5); устойчивые (к 1,5—2) и весьма устойчивые (Аг>2) . По значе-
ниям коэффициента устойчивости строятся в изолиниях прогнозные инже-
нерно-геологические карты для кровли или почвы полезного ископаемого
(рис. 3) .
101
Рис. 3. Карта устойчивости пород почвы угольного пласта Краснодонского угольногс
района.
1 — изолинии коэффициента устойчивости пород к; 2 — скважина и значение к,
3 — границы марочного состава углей
ИНЖЕНЕРНО-ГЕОКРИОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Изучение толщ многолетнемерзлых пород. Многолетнемерзлые поре
ды (ММП) обязательно содержат в своем составе лед и постоянно имею
отрицательную или нулевую температуру. По распространению толщи
многолетнемерзлых пород (ТМП) разделяются на сплошные, прерывис
тые и островные. В зоне островной мерзлоты ее острова занимают о^
нескольких до 50 % территории, температура составляет от 0 до —1 °C
В зоне прерывистой мерзлоты ТМП занимают 50—95 % площади, темпе
ратура пород от —1 до —3 °C, мощность — от десятков до 300 м. В зоне
сплошной мерзлоты мощность ( ТМП 300 м и более, температура дс
— 12 С, в горах до —17 °C; талики встречаются в долинах рек и по круп
ним тектоническим разломам.
Мерзлые породы — это четырехкомпонентная система, состоящая из
твердых минеральных частиц, льда, незамерзшей воды и газов. Лед запол
няет поры (лед-цемент) и присутствует в виде крупных тел (пласты
жилы), линз и прослоев.
Криогенная текстура, характеризующая строение мерзлого грунта
расположение, форму и величину ледяных включений и разделяющих и*
102
терригенных отдельностей (агрегатов), подразделяется на массивную и
слоисто-сетчатую. Льдистость мерзлых пород характеризуется отноше-
нием массы льда ко всему образцу породы.
Наименование видов мерзлых грунтов принимается согласно номен-
клатуре грунтов, установленной СНиП 11-15-74, в соответствии с харак-
теристиками, которые грунты принимают после оттаивания.
Соотношение в ММП льда и незамерзшей воды определяет свойства
пород. По степени цементации их льдом и по физико-геологическим
свойствам ММП подразделяются на твердомерзлые, пластичномерзлые
и сыпучемерзлые (СНиП 11-18—76). Мерзлые грунты и породы, содержа-
щие лед, как правило, изменяют свои прочностные свойства и дают осадки
при оттаивании, что должно учитываться при инженерно-геокриологичес-
кой оценке их поведения в горных выработках.
Для мерзлых грунтов дополнительными характеристиками являются:
суммарная влажность; степень заполнения объема пор мерзлого грунта
льдом и незамерзшей водой; объемная масса мерзлого грунта; относи-
тельное сжатие мерзлого грунта при его переходе в оттаявшее состояние;
теплофизические характеристики грунта в мерзлом и талом состояниях —
температура начала замерзания, коэффициент теплопроводности, объем-
ная теплоемкость; засоленность грунта с отрицательной температурой.
Среди криогенных явлений и процессов особое значение имеют тер-
мокарст, пучение, солифлюкция, пластовые и повторно-жильные льды,
физическое выветривание, наледи. При инженерно-геокриологических
исследованиях, кроме геологических, необходимо изучать: площадное
распространение многолетнемерзлых и талых грунтов на территории мес-
торождения; мощность многолетнемерзлых грунтов и их вертикальное
строение (сплошное, прерывистое, глубокое залегание) ; температурный
режим грунтов (среднегодовые температуры, глубина распространения
годовых колебаний температуры, градиент изменения температуры в
толще многолетнемерзлых пород, динамика слоев сезонного оттаивания-
промерзания) ; криогенные физико-геологические процессы и явления;
физические, теплофизические и механические свойства в мерзлом и
талом состояниях.
При инженерно-геокриологическом изучении проводятся: визуальное
обследование района разведки, геофизические исследования, буровые и
горнопроходческие работы, термокаротаж скважин, опытные полевые
(при необходимости), стационарные, лабораторные работы [28] .
Визуальное обследование территории месторождения производится
путем маршрутного ее изучения; при этом используется топографическая
основа масштаба 1:10 000. При маршрутном обследовании территории
месторождения в каждой характерной точке наблюдения описываются
литологический состав пород, мезо- и микрорельеф, криогенные процес-
сы, растительность, снежный покров, по возможности, глубина сезонного
оттаивания. Следует принимать во внимание, что некоторые криогенные
процессы (образование наледей, растрескивание) могут быть изучены в
достаточной мере только в зимнее время, поэтому часть маршрутов
следует проводить зимой (ранней весной) .
103
Геофизические исследования включают электропрофилирование,
вертикальное электрическое зондирование, малоглубинное сейсмическое
зондирование. Электропрофилирование применяется для установления
площадного распространения многолетнемерзлых и талых пород, выявле-
ния скопления подземных льдов, таликов, установления положения кров-
ли многолетнемерзлых пород. Электропрофили рекомендуется размещать
на расстоянии 25 м друг от друга. Шаг профилирования 10—20 м. На
участках с признаками наличия скопления подземных льдов проводятся
дополнительные электропрофили для их оконтуривания.
С помощью ВЭЗ решаются вопросы о мощности ТМП, глубинах зале-
гания их верхней и нижней поверхности, наличии талых прослоев (преры-
вистая мерзлота), выделении по разрезу слоев с повышенной льдистостью.
ВЭЗ может быть круговым или крестовым. Точки ВЭЗ рекомендуется
размещать по сетке 150x150 м. Малоглубинное сейсмическое зондирова-
ние используется для определения глубины сезонного оттаивания или по-
ложения кровли ТМП.
Бурение геокриологических скважин на территории месторождения
проводится для решения следующих задач: установления температурного
состояния пород (одноразовые измерения), их талого и мерзлого состоя-
ний, определения криогенных текстур; изучения температурного режима
пород, отбора образцов пород и проб воды. С этой же целью проводится
документация геологоразведочных выработок (шурфов, дудок, штолен).
Режим бурения скважин должен обеспечивать сохранение природного
сложения пород — температурного режима, суммарной влажности и
льдистости. Бурение необходимо вести с наименьшей скоростью враще-
ния, укороченными рейсами с продувкой, без промывки солевыми раст-
ворами и без подогрева наконечников. В целом размещение скважин дол-
жно осветить криогенные условия в пределах и вокруг рудных тел. Сква-
жины должны вскрывать подошву толщ мерзлых пород.
Термокаротаж в скважинах производится с целью одноразового опре-
деления температурного режима пород и глубины сезонного оттаивания.
Он выполняется в скважинах с их выстойкой после окончания бурения
в течение 12—15 дней. Термокаротажные работы заключаются в одновре-
менном (в течение 5—10 мин) измерении температуры по всему разрезу
скважины. Для этого в скважину опускают связки ртутных термометров
или комплект датчиков. Температурные измерения в каждой скважине
необходимо проводить не менее 9 раз, в 3 цикла. Интервалы между цик-
лами 5—10 дней, между измерениями внутри цикла 1—3 дня.
Образцы мерзлых пород отбираются из скважин, шурфов, штолен,
шахт с нарушенной и ненарушенной структурой с сохранением мерзлого
состояния или с допущением их оттаивания.
Для определения объемной массы мерзлых песчано-глинистых пород
из каждой литологической разновидности должна отбираться 1 проба с
ненарушенной структурой на 1 м. Определение должно производиться не-
посредственно после отбора. Для изучения суммарной влажности пробы
отбираются бороздковым способом по всему разрезу скважины или шур-
фа, с интервалом опробования в 1 бюксе 0,2—0,3 м.
104
Для определения механических свойств отбирается не менее 3 моно-
литов песчано-глинистых пород из каждой литологической разновидности.
Монолиты гидротермоизолируются (в зимнее время обмораживаются
льдом толщиной около 5 см, в летнее время после парафинирования жид-
ким охлажденным парафином обкладываются мхом, сухим шифером,
опилками).
В лабораторных условиях определяют физико-механические свойства
пород в мерзлом и оттаивающем состоянии: классификационные пока-
затели (механический состав, число пластичности, плотность, объемная
масса, суммарная влажность и количество незамерзшей воды) ; показа-
тели теплофизических свойств (объемная теплоемкость и коэффициент
теплопроводности талого и мерзлого грунта); показатели механических
свойств пород в мерзлом состоянии (предельно длительная прочность,
длительное сопротивление пород сдвигу, параметры ползучести, силы
смерзания) и после оттаивания (коэффициент оттаивания и уплотнения,
сопротивление пород сдвигу и т.д.) . Испытания мерзлых образцов тре-
буют специального оборудования — холодильных камер или подземных
лабораторий, обеспечивающих заданный отрицательный температурный
режим.
Стационарные наблюдения проводятся для: изучения температурного
режима грунтов и влияния на него состава пород, форм и элементов рель-
ефа, растительного и снежного покровов; определения изменения тем-
пературного режима пород на участках в процессе строительства и эксплу-
атации горных выработок, насыпей, зданий и т.п.; исследования криоген-
ных процессов — термокарста, термоабразии, пучения, солифлюкции,
наледей; оценки технического состояния построенных сооружений.
В результате проведения полевых и лабораторных работ составляет-
ся инженерно-геокриологическая карта масштаба 1:5000 — 1:10 000. На
топооснову наносятся материалы непосредственных наблюдений и данные
геокриологического анализа, учитывающего физико-географические фак-
торы. Отражаются криогенные характеристики: площадное распростране-
ние многолетнемерзлых и талых пород; мощность многолетнемерзлых
пород; льдистость пород и крупные залежи подземного льда; участки
распространения криогенных физико-геологических процессов и явлений;
значения среднегодовых температур многолетнемерзлых пород; глубины
сезонного оттаивания, а на таликах — глубины промерзания. Каждый
ландшафтный элемент характеризуется комплексом указанных харак-
теристик.
Геокриологические режимные наблюдения. Режимные геокриологи-
ческие наблюдения проводят с целью изучения интенсивности и динамики
естественных геокриологических процессов в ярусе годовых теплообо-
ротов (ЯГТ). Данные этих наблюдений необходимы для работ, связанных
с подготовкой месторождений к отработке открытым способом, и для
рационального размещения объектов инфраструктуры. К режимным мо-
гут быть отнесены также специальные геотермические наблюдения в глу-
боких скважинах, которые необходимы при подготовке глубокозалегаю-
щих месторождений к эксплуатации как открытым, так и подземным спо-
собом.
105
Основные задачи проведения наблюдений заключаются в следующем;
выявление необходимых параметров геокриологических процессов
(средние и экстремальные значения температуры в Я ГТ, мощность сезон*
ноталого слоя, деформации дневной поверхности и пр.) ; количественная
оценка изменений этих параметров при характерных нарушениях поверх*
ностных условий; получение необходимой информации для прогнозов
изменения геокриологических условий в результате горнопромышленного
освоения и составления прогнозных карт инженерно-геокриологического
районирования.
Режимные наблюдения включают в себя наблюдения за термовлаж-
ностным режимом горных пород и за криогенными физико-геологичес-
кими процессами. На стадии предварительной разведки проводят наблю-
дения за следующими элементами термовлажностного режима пород:
температурой поверхности, температурой и влажностью в Я ГТ, динамикой
сезонного протаивания и промерзания. Кроме того, приступают к выпол-
нению специальных геотермических наблюдений в многолетнемерзлых
породах и на участках с таликами, что позволяет охарактеризовать тепло-
вое состояние горных пород, естественные тепловые процессы в них,
тепловые свойства. При изучении криогенных процессов проводят наблю-
дения за пучением грунта, термокарстом, криогенным растрескиванием,
термоэрозией, солифлюкцией.
Для выполнения комплексных и непрерывных режимных наблюдений
организуют специальные стационары [15], что целесообразно лишь на
стадии детальной разведки. При выборе местоположения стационара не-
обходимо исходить из того, чтобы проводимые наблюдения характеризо-
вали основной тип природного территориального комплекса (ПТК) и
его изменения при техногенном воздействии. В пределах осваиваемой пло-
щади дополнительно сооружают площадки периодического действия для
осуществления наблюдений на участках: отличающихся по ландшафтным
условиям от основного типа ПТК; с максимальным проявлением крио-
генных процессов; непосредственно на строящихся или эксплуатируемых
объектах. Криогенные процессы нередко взаимосвязаны, поэтому целе-
сообразно максимальное совмещение различных видов наблюдений на
стационаре. Лишь при невозможности осуществления всех необходимых
видов наблюдений на одном участке оборудуют дополнительные
площадки.
На одном стационаре обычно размещают 1—3 экспериментальные пло-
щадки с естественными (ненарушенными) ландшафтными условиями и
несколько площадок с различными техногенными нарушениями, имити-
рующими развитие ландшафта в будущем. В подготовительный период
оборудования стационаров в центре площадок проводят бурение скважин
на предполагаемую мощность Я ГТ (15—25 м) с отбором проб из каждой
литологической разновидоности для лабораторных определений исходных
значений суммарной влажности (льдистости) пород, плотности скелета,
солевого состава, физико-механических и тепловых свойств. КоэффиЦй'
ент теплопроводности пород в ненарушенном состоянии определяют мето*
дом цилиндрического зонда постоянной мощности [43]. При проходке
106
скважин и дополнительных шурфов изучают также криогенное строение
пород.
Для подготовки скважин к температурным наблюдениям проводится
их обсадка металлическими трубами диаметром 40—60 мм, герметически
заваренными снизу. Затрубное пространство засыпают сухим песком.
Дополнительно на площадке бурят три неглубокие скважины меньшим
диаметром для установки термометрического оборудования в слое про-
мерзания-протаивания, а также двух мерзлотомеров (на глубину 1,5 и
3 м).
На площадке устанавливают следующее основное оборудование:
постоянные снегомерные рейки (5—10 шт.), термоизмерительные уста-
новки в обсадной трубе и в скважинах, мерзлотомеры АМ-21 [15],
марки-пучиномеры по створам (15—30), пучиномерную установку. Кроме
того, оборудуют измерительные створы для изучения криогенного рас-
трескивания грунтов. Дополнительные площадки для определения соли-
флюкционных процессов (на склонах, откосах карьеров) оборудуют
пучиномерными марками и реперами.
Температурные наблюдения в обсаженных скважинах осуществляют
с помощью инерционных („заленивленных") почвенно-глубинных термо-
метров или электрических датчиков (терморезисторы, термометры
сопротивления), которые устанавливают на глубинах до 4 м через 1 м,
а с 6 м — через 2 м.
Разработаны конструктивные устройства для измерений температуры
пород в скважинах до 3 м (термокомплекты в сочетании с термопауком),
Исключающие влияние конвекции в скважинах и других погрешностей
при измерениях и обеспечивающие точность измерений 0,1 °C.
На стадии разведки целесообразно осуществлять температурные наб-
людения 4 раза в сутки на глубинах до 0,6 м; 1 раз в сутки на глубинах
от 0,5 до 3,2 м; глубже на всю мощность Я ГТ — 1 раз в декаду.
Специальные геотермические измерения на всю глубину пройденных
разведочных скважин осуществляют с помощью так называемых термо-
кос (термогирлянд), датчиками в которых служат чаще всего термо-
резисторы, реже — электротермометры сопротивления. При геотермичес-
ких измерениях необходимо достигнуть точности 0,01—0,02 °C. Измере-
ния проводят в течение ряда лет (через 1—2 года), до стабилизации пока-
заний.
Режимные наблюдения за суммарной влажностью (льдистостью)
грунтов в слое сезонного промерзания-протаивания осуществляют 1 раз
в месяц в течение всего летнего сезона, охватывая также время после схо-
да снежного покрова и предзимний период. Определение глубины сезон-
ного протаивания по мерзлотомерам осуществляют лишь в теплый сезон,
1 раз в 5—10 дней. Постановка и методика выполнения наблюдений за
криогенными процессами изложены в рекомендациях [15]. Продолжи-
тельность проведения наблюдений на каждом стационаре должна состав-
лять 3—5 лет. Результаты режимных геокриологических наблюдений пред-
ставляются в соответствии с рекомендациями, изложенными в работе
[15].
107
Прогнозная оценка геокриологических условий отработки месторо^
дений. Комплексную оценку крупных частей изучаемых территорий
месторождений можно производить на основе карт геокриологического
районирования, составляемых по результатам геокриологического изуче-
ния местности и режимных наблюдений (рис. 4).
При оценке геокриологических условий освоения месторождения
требуется вначале учитывать исходную геокриологическую обстановку
крупных частей месторождения, которые могут существенно различаться
между собой.
Под геокриологической обстановкой понимается присущая данному
участку территории совокупность: толщи мерзлых пород; сезоннопрота-
ивающего и сезоннопромерзащего слоев, сравнительно однородных по
составу, в том числе и по льдистости, строению, температуре и распростра-
нению; криогенных физико-геологических явлений.
Мерзлое состояние пород, тем более при низкой температуре, увели-
чивает их прочность (СНиП 11-18—76), делает водоупорными зернистые
и трещиноватые породы. В результате промерзания породы труднее раз-
рабатываются, при стоке воды по мерзлым породам выработок образуют-
ся наледи, выработки могут заполняться натечным льдом. Однако те же
качества мерзлых пород обеспечивают лучшую устойчивость горных
выработок, в них требуется меньшее крепление, отсутствует приток воды.
При протаивании прочность мерзлых пород уменьшается, зернистые
и трещиноватые породы становятся проницаемыми и могут быть водонос-
ными. Протаивание льдистых пород, тем более вытаивание подземных
залежей льда, сопровождается просадками и деформацией поверхности.
Ведение горных работ при этом осложняется.
Проходка горных выработок значительно усложняется, когда они
выходят из мерзлых массивов в талики, а также когда выработки про-
ходят массивы льдистых пород и особенно залежи подземного льда.
Горные работы начинаются с проходки верхних слоев мерзлых горных
пород (Я ГТ), которым свойственна относительно наибольшая льдистость,
встречаются залежи подземного льда, средняя температура пород мини-
мальная, а по сезонам она сильно колеблется. Эти характеристики сущест-
венно отражаются на механических свойствах пород. Поэтому верхние
части карьеров и стволов шахт, рудников в результате сезонного протаи-
вания оказываются наименее устойчивыми [50].
В прогнозах для месторождений с льдистой вскрышей рекомендуется
не упускать из виду неизбежное и возможное интенсивное развитие скло-
новых процессов сезоннопротаивающих пород на откосах уступов. По
мере непроизвольного выполаживания угла заложения борта карьера,
отрабатываемого в льдистых породах, сочетание процессов закономерно
сменяется (табл. 3). Каждая из трех стадий развития относительно устой-
чивых откосов длится примерно один теплый сезон года.
Следует учитывать, что нагорные борта карьеров в льдистых четвертич-
ных породах быстрее и больше выполаживаются, до 20—30°, по сравне-
нию с противоположными бортами, которые сохраняют достаточную
устойчивость при 50—60°. Это вызывается в основном различием величи-
108
1 — ТМП сплошная, в покровных суглинках прослои льда 1—2 мм, температура (7)
минус 1—2 С, СТС около 1,5 м, плоские водоразделы с кочковато-ерниковой тун-
дрой; 2 — ТМП местами залегает до 20 м, 7 = 0 С, СТС = 1,5—2 м, СМС меньше,
склоны с ивняково-лишайниковой тундрой; 3 — ТМП сплошная, в суглинках про-
слои льда до 2 см, Т = —1 С, СТС = 0,7—0,8 м, понижения с осоково-моховыми
болотами; 4 — ТМП залегает с глубины 5—20 м и более, 7 от 0 до минус 0,3 С;
СМС менее 1,2 м, характерно для полос стока; 5 — ТМП сплошная, в суглинках
прослойки льда 1—10 см образуют сетчатую криогенную текстуру, суммарная весо-
вая влажность 50 %, 7 = — 2,5 С, СТС =0,6 м, плосковершинные торфяники; 6 —
ТМП сплошная, 7 = —2,4 С, СТС = 1,5—2,0 м, вершины холма с пятнистой тундрой;
7 — талики; 8 — разломы, обводненные; 9 — изолинии мощности четвертичных по-
род, м; 10 — бугры криогенного пучения высотой до 2,5 м с ядрами пластового
льда; 11 — полигональный мезорельеф и залежи повторножильного льда; 12 — гра-
ницы между участками с малой льдистостью и сплошными ТМП (а) и большой
льдистостью и таликами (б)
Таблица 3
Стадии формирования в карьерах устойчивых откосов, сложенных льдистыми *связными и рыхлыми при протаивании породами
Стадия развития	Крутизна отко са, градус	Основные криоген- ные процессы	Преобладающий состав оттаиваю- щих пород	Доминирующий вид деформа- ции откоса	Относительная устойчивость откоса	Защитные мероприятия
1	60	Интенсивное протаи- вание обнаженной льдистой толщи мерзлых пород	П ыл евато- гл и ни с- тые Обломочные Разные	Быстрое течение Осыпи Обвалы Оползни	Подвижный	Искусственное выпо- лаживание до крутиз- ны не менее 65 , что- бы оттаивающие по- роды удерживались некоторое время
2	60	Заземленное протаи- вание толщи мерз- лых пород, перекры- той частично образо- вавшимся мало- льдистым слоем се- зонного оттаивания	Пылевато-глинис- тые Разные	Оползни Замедленное течение Термоэрозия Смыв	Неустойчивый	Сохранение слоя се- зоннопротаивающих пород (тепло- и гидроизоляция толщи мерзлых пород)
3	30-50 ।	Оттаивание в основ- ном ограничивается малольдистым се- зоннооттаивающи м слоем	Пылевато-глинис- тые Разные	Смыв Оползни Эрозия	Устойчивый	Отведение стока кана- вами, снегоогражде- ние для предотвраще- ния глубокого про- таивания на откосах
* В льдистых породах объемное содержание льда не менее 30 %.
цы стока поверхностных вод по откосам, обеспечивющим соответствую-
щее теплопоступление. Оно больше на нагорных бортах.
Учитывая углы заложения устойчивых откосов в аналогичных карье-
рах и дорожных выработках, при разведке месторождения можно рас-
считать границы бровки бортов погашения карьера, устраиваемого в
льдистых отложениях. Расчет положения бровки устойчивых откосов бор-
тов, сложенных льдистыми породами, производится по эмпирической
формуле
Н
Ь =----- (ctg а2 - ctg «i),
1 + у1 - л
где 5 — расстояние отступания бровки борта карьера, при формировании
устойчивости откоса после выполаживания начального (задаваемого)
угла заложения; ах — задаваемый угол откоса уступа, который не имеет
СТС; а2 — устойчивый угол откоса с нормальным профилем СТС, по
наблюдениям за склонами и старыми откосами в сходных условиях
рельефа и льдистости пород; Н — высота откоса; л — льдистость породы.
Глава 6
ИЗУЧЕНИЕ И ПРОГНОЗНАЯ ОЦЕНКА ИЗМЕНЕНИЯ
ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ, ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ
И ГЕОКРИОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ПОД ВЛИЯНИЕМ
ГОРНЫХ РАЗРАБОТОК И ОСУШЕНИЯ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
ИЗУЧЕНИЕ И ПРОГНОЗ ИЗМЕНЕНИЯ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ
Горные работы и осушение месторождений вызывают существенные
изменения гидрогеологических условий района [31, 34, 36]. 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 родни-
ков, сокращение расходов малых рек, осушение болот, увеличение мощ-
ности зоны аэрации, осушение почвогрунтов, оседание земной поверх-
ности и др. Может изменяться химический состав поверхностных и под-
земных вод.
Указанные изменения гидрогеологических условий нередко оказы-
вают 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 ресур-
сов за счет смежных с осушаемым водоносных горизонтов и поверхност-
111
ных вод. Увеличение доли привлекаемых ресурсов в величине водоприто-
ков ограничивает развитие депрессионной воронки в осушаемом гори,
зонте.
Для прогнозной оценки размеров депрессионных воронок применяют-
ся аналитические методы, метод моделирования и метод аналогии, бази-
рующийся на данных опыта эксплуатации месторождений в исследуемом
районе.
При оценке размеров депрессии аналитическим методом [45] исполь-
зуется схематизация гидрогеологических условий, принятая и Обоснован-
ная при расчетах прогнозных водопритоков в горные выработки. В случае
распространения депрессии на участки, удаленные от осушаемого место-
рождения, дренажные системы могут рассматриваться как ,,большие
колодцы". На большом расстоянии от дренажных выработок и по исте-
чении значительного времени с начала дренажа основные расчетные фор-
мулы применимы вне,зависимости от граничных условий (понижение или
расход) на горных выработках.
При оценке возможных размеров депрессии следует задаваться неко-
торой величиной понижения уровня по ее контуру и рассчитывать расстоя-
ние от центра дренажа, на котором это понижение будет наблюдаться в
расчетное время. За величину указанного понижения можно принимать,
например, амплитуду сезонных колебаний уровня подземных вод в ес-
тественных условиях.
Определение радиуса влияния (гвл) для условий не ограниченного в
плане пласта при известном дебите и принимаемом понижении уровня
может быть выполнено по зависимости, выведенной Ф.М. Бочевером,
гвл = (/> 'YS?, где <p=<ps(kmS/Q). Для продолжительной откачки =
= 'l,5e~27rkmS^Q’ Расчетные зависимости для других гидродинамических
схем приведены в работе [36].
Для оценки влияния осушения месторождения на действующие и про-
ектируемые водозаборы следует рассчитывать срезку уровней на водоза-
боре, возникающую под действием осушительных систем [36], и общее
понижение уровня на водозаборе с учетом величины срезки сравнивать
с допустимым понижением, принятым при оценке эксплуатационных
запасов подземных вод [29].
Оценку возможности одновременной эксплуатации водозабора и дре-
нажного сооружения на месторождении без подсасывания водозабором
загрязненных вод, развитых на площади ведения горных работ, можно
производить по критериям, приведенным в работе [34] и основанным на
определении положения границы раздела потоков подземных вод, направ-
ленных к водозабору и дренажным сооружениям.
При расположении шахты (рудника) и водозабора в безграничном
пласте, загрязнение водозабора при квазистационарном потоке не проис-
ходит при условиях
1 -pJd	Я
а < ------------- а < ------------ ,
p*/d	2 arctg "у
d
112
где а = Ов/Ол — безразмерное соотношение; Ов и Од - производитель-
ность водозабора и дренажного сооружения; d — расстояние между цен-
трами водозабора и шахты (рудника); рх — наибольшие размеры площа-
ди разработок по линии, соединяющей центры водозабора и шахты; ру —
максимальные размеры площади разработок в направлении, перпендику-
лярном к линии, соединяющей центры водозабора и шахты. При рх/с!^
<0,5, а<1,т.е. производительность водозабора и водоотлива из шахты
могут быть соизмеримы. Если pK/d<0,1, то а<9, т.е. производительность
водозабора может быть примерно на один порядок больше водоотлива
шахты (рудника). Для других гидродинамических схем оценка взаимо-
влияния водозаборных и дренажных сооружений может быть произведена
по формулам, приведенным в работе [34].
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 по-
верхностный сток уменьшается. В некоторых случаях, когда эксплуати-
руются глубокие водоносные горизонты, гидравлически не связанные
с поверхностными водами, может произойти увеличение поверхностного
стока в связи со сбросом в реки сточных вод, что может повлечь за собой
изменение химического состава речных вод. Оценка влияния отбора под-
земных вод на речной сток (для нескольких гидродинамических схем)
дана в работе [34]. Для случая концентрированного отбора воды в полу-
ограниченном пласте, когда границей потока является река в заданным
на ней постоянным напором, ущерб речному стоку может быть рассчитан
по формуле [29]
0ущ/0 = erfc {d/2at},	(10)
где Оущ/О — ущерб поверхностному стоку (изменение расхода реки)
на момент времени t после начала дренажа; d — расстояние от центра
дренажа до реки; Q — производительность водоотбора; erfc(z) — специаль-
ная функция [45] (см. прил. 3). Формула (10) используется для условий
однородных пластов при совершенной связи подземных и поверхностных
вод. Метод расчета с учетом несовершенной связи подземных и поверх-
ностных вод приведен в работе [29].
Оценка возможного влияния сброса шахтных (рудничных) вод и
вод, откачиваемых осушительными системами,, на окружающую среду,
и в первую очередь на загрязнение подземных и поверхностных вод,
выполняется на основании данных о количестве, минерализации вод, со-
держании в них макро- и микрокомпонентов, взвесей [37, 38].
Для прогнозной оценки развития депрессионной воронки и изменений
гидрогеологических условий требуется изучение значительных площадей.
При этом следует максимально использовать результаты съемочных 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 терри-
торий, прилегающих к месторождению, использовав для этого геологораз-
8-5190
113
ведочные, картировочные и гидрогеологические скважины. Целесообразно
использование аэрокосмических материалов и геофизических исследова-
ний для районирования территории. Достоверность прогнозных оценок
может быть повышена при использовании опыта осушения месторождений
в сходных гидрогеологических условиях и в случаях выполнения продол-
жительных групповых откачек или опытно-производственного водо-
понижения.
Для оценки влияния осушения месторождения на действующие и
проектируемые водозаборы требуется бурение створа гидрогеологичес-
ких скважин между водозаборным сооружением и месторождением.
Скважины опробуются опытными откачками, а в последующем оборуду-
ются под режимные наблюдения. При наличии действующего водозабора
оборудование и опробование створа скважин выполняются на стадии пред-
варительной разведки, а в период детальной разведки ведутся режимные
наблюдения. Для установления гидравлической связи водоносных гори-
зонтов, которые используются для водоснабжения, необходимо изучить
условия взаимосвязи этих горизонтов, определить мощность и фильтра-
ционные свойства разделяющих пород. В этом случае важны кустовые
откачки с оборудованием наблюдательных скважин в водоносных гори-
зонтах и желательно в разделяющих пластах [4].
В целях прогнозной оценки влияния осушения месторождения на
поверхностные воды необходимо иметь сведения об условиях взаимосвя-
зи подземных и поверхностных вод, гидродинамических параметрах ко-
ренных и аллювиальных отложений между рекой и месторождением, ре-
жиме подземных и поверхностных вод. Они получаются по результатам
кустовых откачек, режимных наблюдений в створе скважин, пробуренном
между рекой и месторождением и совмещенном с гидрологическим ство-
ром. Для небольших рек, расход которых соизмерим в водоотбором на
осушительных системах, следует проводить гидрометрические наблюде-
ния сроком не менее одного года.
Для решения вопроса о целесообразном способе очистки месторожде-
ния, использовании и удалении дренажных вод необходимо иметь сведе-
ния 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 комплекс-
ные 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 под-
114
земные и поверхностные воды и в целом на окружающую среду; рацио-
нальному использованию собственно шахтных (рудничных) и дренажных
ВОД; постановке целенаправленных дополнительных исследований для
обоснования природоохранных мероприятий.
В целях охраны водных ресурсов в районах горнодобывающих пред-
приятий могут использоваться различные методы [34, 36] : рациональные
способы разработки месторождения, например с закладкой выработан-
ного пространства, что может предотвратить осушение верхних водонос-
ных горизонтов и предупредить провалы земной поверхности; противо-
фильтрационные завесы; создание гидрозавес (обратная закачка дренаж-
ных вод), заключающееся в возрасте откачиваемых вод в дренируемые
водоносные горизонты через поглощающие скважины, заложенные на
некотором расстоянии от водопонизительных систем осушаемого место-
рождения; перехват подземных вод хорошего качества дренажными
системами на подступах к месторождению, не допуская их загрязнения
В результате горных работ и используя для хозяйственно-питьевого водо-
снабжения.
Для защиты подземных и поверхностных вод от загрязнения шахтны-
ми (рудничными) водами могут применяться химическая и механическая
очистка сбрасываемых вод в прудах—накопителях (с выпуском отстояв-
шихся вод в паводковые периоды), обратная закачка, подземное захоро-
нение (возможно, как правило, в небольших количествах) [12, 45].
При оценке способа удаления шахтных (рудничных) вод в гидрографи-
ческую сеть следует руководствоваться действующими правилами и по-
ложениями [37, 38] . В процессе разведки следует рассмотреть вопросы
использования дренажных вод для различных целей.
В зависимости от качества и степени очистки дренажных вод целесо-
образно их использование для хозяйственно-питьевого водоснабжения,
орошения, рыборазведения, в бальнеологических целях, в качестве гидро-
минерального сырья, сообразуясь с требованиями действующих стандар-
тов и потребителей.
При намечаемом использовании части водоотлива из горных вырабо-
ток и дренажных вод для централизованного водопотребления необходи-
ма оценка эксплуатационных запасов этих вод. Она должна выполняться
В соответствии с нормативно-методическими документами [29] . Это
осуществляется на основе утвержденных проектов освоения месторожде-
ния и главным образом на основе производственного опыта совмещения
горных работ, осушительных мероприятий и организации водоотбора
подземных вод в условиях действующего горнодобывающего пред-
приятия.
На участках намечаемого размещения гидротехнических сооружений
(хвостохранилищ, прудов-отстойников, гидроотвалов) горных предприя-
тий необходимо оценить возможное распространение загрязненных под-
земных вод. Для этого должна быть изучена гидрогеологическая обстанов-
ка, определены гидродинамические и миграционные (активная порис-
тость, трещиноватость, коэффициенты молекулярной диффузии и механи-
ческой дисперсии, а также сорбционная характеристика грунтов) парамет-
ры верхних водоносных горизонтов [5, 14, 31] .
115
Методика определения миграционных параметров зависит от характе-
ра 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 парамет-
ров производится лабораторными методами и в полевых условиях с ис-
пользованием индикаторов или трассеров. Для изучения ряда физико-
химических процессов, например, сорбции и ионного обмена, лаборатор-
ные методы являются основными.
Для песчано-глинистых пород и пористых блоков пород с двойной
емкостью применяются лабораторные методы, для трещиноватых пород -
полевые. Опыты с хорошо проницаемыми несвязными песчаными поро-
дами проводятся в фильтрационных колонках. По данным опытов опред-
ляются активная пористость пород и коэффициент дисперсии. Экспери-
менты с существенно глинистыми породами выполняются в фильтрацион-
ных установках на образцах длиной несколько сантиметров. Определяют-
ся коэффициент молекулярной диффузии, сорбционная емкость, коэф-
фициент распределения.
Определение миграционных параметров трещиноватых пород прово-
дится в полевых условиях посредством запуска индикатора в пласт через
опытные скважины с последующим его улавливанием по соседним сква-
жинам. Опыты проводятся как в естественных, так и в нарушенных по-
токах. Область влияния опытов — несколько десятков метров.
В районах развития мощных толщ слабосцементированных пород
важное занчение имеет оценка возможного оседания земной поверхности
в результате глубокого водопонижения при осушении месторожений.
Ориентировочные расчеты могут быть основаны на предположении о том,
что вертикальное оседание земной поверхности равно суммарному умень-
шению мощности слоев, уплотняющихся в результате снятия гидростати-
ческого напора в водоносных горизонтах и соответствующего увеличения
эффективных напряжений.
Примерная величина оседания земной поверхности под действием одно-
осной вертикальной нагрузки определяется по формуле
AS = bPihfi,,
/=1
где ДР — уменьшение пластового давления в результате водопонижения,
определяемое по величине ожидаемого понижения уоовней подземных
вод; —мощность сжимаемого слоя; 0,- — 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 0,5 м и более требуется выполнение всесторонне обосно-
ванного прогноза.
В рекомендациях по гидрогеологическим исследованиям в процессе
освоения и эксплуатации месторождений важно предусмотреть стационар*
116
ные режимные наблюдения и контроль за изменением гидрогеологичес-
ких условий, эффективностью осуществляемых защитных мероприятий,
влиянием на действующие водозаборы подземных вод. Необходимо полу-
чение информации для уточнении гидрогеологических прогнозов по опыту
эксплуатационных работ. Необходима тесная увязка режимной сети на
месторождении и сроков наблюдений с региональной режимной сетью
наблюдений организаций Мингео СССР.
ИЗУЧЕНИЕ ШАХТНЫХ (РУДНИЧНЫХ) ВОД КАК ВОЗМОЖНОГО ИСТОЧНИКА
ГИДРОМИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ
Шахтные и рудничные воды формируются при эксплуатации место-
рождений в нарушенных гидродинамических и гидрогеохимических ус-
ловиях. В большинстве случаев при этом происходит значительный рост
содержания макро- и микрокомпонентов дренируемых вод водоносных
горизонтов в результате активизации гипергенных процессов.
Основная задача изучения шахтных и рудничных вод (как допол-
нительный источник сырья, они могут быть названы попутными) заключа-
ется в выявлении ассоциации микроэлементов, при наличии которых воды
могут рассматриваться в качестве источника гидроминерального сырья,
и оценке ожидаемого уровня их содержания в попутных водах будущих
горнодобывающих предприятий.
При разведке месторождений решение этой задачи должно быть начато
с определения содержания ассоциации элементов в водах водоносных
горизонтов, формирующих впоследствии попутные воды.
Изучение ассоциации элементов в подземных водах начинается со
стадии поисково-оценочных работ на твердые полезные ископаемые.
Основная цель изучения — оценка фоновых содержаний элементов с выде-
лением участков (по площади и глубине) повышенных концентраций.
Число проб должно быть достаточно для расчета фоновых содержаний
элементов — примерно 10 проб на каждый основной водоносный го-
ризонт, участвующий в формировании попутных вод. Скважины и разе-
дочные горные выработки, в которых анализ проб показал повышенные
содержания элементов, закрепляются для дальнейшего режимного ежек-
вартального опробования на следующих стадиях разведочных работ.
При предварительной и детальной разведке месторождений основное
внимание обращается на те водоносные горизонты (зоны), в которых
предыдущим опробованием выявлены повышенные содержания (начиная
примерно с одного-двух порядков выше фона) элементов. Из этих гори-
зонтов (зон) проводится ежеквартальный отбор проб воды; из других
горизонтов, участвующих в формировании попутных вод, достаточно от-
бирать пробы два раза в год — в паводковый и меженный периоды. Важно
непрерывно проследить характер и степень изменчивости ассоциации эле-
ментов в подземных водах, что послужит основой прогнозирования их в
попутных водах.
Работами ВСЕГИНГЕО в 1980-1984 гг. установлено, что для попутных
вод угольных месторождений свойственны содержания группы элементов,
117
значительно превышающие (до трех математических порядков) их кон-
центрации в водах зоны гипергенеза. Это группа редких металлов (галлий,
скандий, цирконий, иттрий, индий, гафний, ванадий, лантан) и редкозе-
мельных элементов (церий, неодим, самарий, европий, гадолиний, иттер-
бий, тербий, лютеций). В водах рудных месторождений в повышенных
количествах встречаются цинк, медь, свинец, мышьяк, никель, кобальт,
сурьма, кадмий, висмут, бериллий, молибден, алюминий, марганец, се-
ребро, титан, хром. Эти элементы входят в общую изучаемую ассоциацию
элементов. В связи с этим на стадии поисково-оценочных работ определя-
ются все названные элементы. В дальнейшем определяются только те из
них, которые характеризуются повышенными концентрациями в под-
земных водах, а также в твердом полезном ископаемом и во вмещающих
породах месторождения, из которых они могут перейти в раствор.
Ассоциацию определяемых при разведке элементов следует уточнить
путем проведения гидрохимического опробования вод разрабатываемых
месторождений-аналогов со сходными геоструктурными и гидрогеологи-
ческими условиями. Гидрохимическое опробование будет заключаться
в 1—3-разовом отборе проб воды центрального водоотлива и их анализе
на всю ассоциацию элементов.
Рекомендуемые методы определения элементов в подземных водах -
полуколичественный и количественный спектральный анализ, а также
новые методы — нейтронно-активационный и оптически-эмиссионный с
плазменным возбуждением.
ИЗУЧЕНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ
Методы изучения и прогноза (на основании результатов разведочных
работ) изменения инженерно-геологических условий месторождений и
прилегающих территорий под влиянием горно-эксплуатационных работ
находятся в стадии разработки. Ниже освещается общий подход к поста-
новке исследований с позиций решения вопросов прогнозной оценки
изменения инженерно-геологических условий.
Объектом исследований являются территории, которые включают
площади месторождений и предполагаемые зоны влияния деятельности
горнодобывающих предприятий. Размеры этих зон влияния предопределя-
ются геологическим строением района и технологической нагрузкой
(комплексом по добыче, обогащению полезных ископаемых и складиро-
ванию отвалов и отходов).
Основными задачами исследований являются: изучение исходного
состояния инженерно-геологических условий: изучение изменений инже-
нерно-геологических условий в процессе геологоразведочных работ;
изучение изменений геологической среды в результате работ по промыш-
ленному освоению месторождений-аналогов, прежде всего приуроченных
к единому с изучаемым районом инженерно-геологическому региону;
прогнозирование изменений инженерно-геологических условий месторож-
дения и прилегающей территории под воздействием планируемых работ
по эксплуатации разведуемого месторождения.
118
Изучение исходного состояния инженерно-геологических условий по
существу обеспечивается инженерно-геологическими работами, выполня-
емыми при разведке месторождения в целях изучения и прогноза инже-
нерно-геологических условий будущей эксплуатации месторождения.
Инженерно-геологические исследования исходного состояния геоло-
гической среды завершаются анализом и систематизацией полученных
данных с последующим построением инженерно-геологических карт,
на которых отображаются основные таксономические единицы, учи-
тывающие геолого-структурные и геоморфологические особенности
месторождений, литолого-петрографические типы пород, напряженное
состояние массивов. Более мелкое расчленение проводится относительно
физико-механических свойств пород, их трещиноватости, современных
геологических процессов и явлений и других инженерно-геологических
характеристик. Эти материалы дополняются данными изучения изменения
геологической среды, обусловленными ведением геологоразведочных ра-
бот (бурение скважин, проходка разведочных горных выработок, строи-
тельство и эксплуатация транспортной сети и наземных сооружений).
Изучение должно быть направлено на установление закономерностей из-
менения во времени отдельных компонентов среды (породы и их физико-
механические свойства, экзогенные и инженерно-геологические процессы
и т.д.) дифференцированно и во взаимосвязи между собой с выявлением
и оценкой природных и техногенных факторов, определяющих характер
этих изменений.
Исследования выполняются путем проведения повторных обследо-
ваний участков, подвергаемых воздействию разведочных работ, и со-
поставления результатов повторных наблюдений и данных, полученных
при изучении исходного состояния геологической среды.
Периодичность повторных обследований определяется в ходе наблю-
дений опытным путем. Размещение пунктов временных и стационарных
режимных наблюдений определяется местом приложения техногенной
нагрузки с учетом результатов районирования, проведенного при изучении
исходного состояния геологической среды.
Результаты инженерно-геологических исследований изменения геоло-
гической среды могут быть представлены на картах изменения инженерно-
геологической обстановки, на которых отмечаются уровень и масштаб
изменения физико-механических свойств и состояния массива пород,
развития инженерно-геологических процессов. Указанные изменения
компонентов геологической среды на картах дифференцируются отно-
сительно вида прилагаемой техногенной нагрузки.
Инженерно-геологическое изучение изменения геологической среды
Под влиянием деятельности горнодобывающих и перерабатывающих
Предприятий на месторождениях-аналогах нацеливается на оценку уровня
и динамики изменения геологической среды в процессе эксплуатационных
работ и использование полученного опыта для прогнозов изменения инже-
нерно-геологических условий месторождений, намечаемых к промышлен-
ному освоению. На месторождениях-аналогах проводятся инженерно-
119
геологическое обследование района; сбор данных наблюдений за развити-
ем экзогенных геологических и инженерно-геологических процессов в
горных выработках и на территории, за изменением состава и физико-
механических свойств; сопоставление состояния геологической среды
с данными, характеризующими исходную инженерно-геологическую обста-
новку.
Среди инженерно-геологических методов, применяемых при обследо-
вании районов месторождений-аналогов, прежде всего следует выделить
стационарные режимные наблюдения и использование материалов аэро-
и космофотосъемки. Сеть режимных наблюдений строится в соответствии
с результатами инженерно-геологического районирования территорий,
в пределах которых отмечаются техногенные изменения геологической
среды. Периодичность режимных наблюдений и повторных аэро- и космо-
фотоматериалов определяется по опытным данным.
По результатам обследования и наблюдений целесообразно составлять
карты изменения инженерно-геологических условий в связи с деятель-
ностью предприятий по добыче и переработке полезных ископаемых.
На карте должны быть отражены уровень и масштаб инженерно-геологи-
ческой обстановки района с учетом техногенных причин этого изменения.
Инженерно-геологические прогнозы изменения инженерно-геологичес-
ких условий с получением качественных или количественных оценок
выполняются на стадии разведки, как правило, с помощью методов ана-
логий и оценки природных и техногенных факторов. При этом имеется
возможность качественно оценить направленность и интенсивность воз-
можных изменений инженерно-геологической обстановки района. К пер-
спективным, требующим более полную инженерно-геологическую инфор-
мацию, относятся аналитические методы прогнозирования и моделиро-
вание, позволяющие, например, получить представление об особенностях
развития инженерно-геологических процессов и явлений.
Результаты инженерно-геологического прогнозирования возможных
изменений (возможной реакции) геологической среды в процессе пред-
стоящего промышленного освоения месторождений отображаются на
прогнозных инженерно-геологических картах, на которых определяются
таксономические единицы относительно предполагаемых уровня и мас-
штаба изменения геодинамической обстановки района, состава, состоя-
ния и физико-механических свойств пород, физических полей и других
инженерно-геологических свойств массива.
Логическим завершением инженерно-геологических исследований
является составление рекомендаций по снижению, ликвидации или предот-
вращению нежелательных последствий разработки месторождений. Реко-
мендации должны включать следующие основные позиции: предполага-
емые место и время (по возможности) возникновения, уровень и мас-
штаб развития инженерно-геологических процессов и явлений; обуслов-
ленность указанных проявлений природными и горнотехническими (пред-
полагаемыми) факторами; обоснование и состав инженерных природо-
охранных мероприятий.
120
ПРОГНОЗНАЯ ОЦЕНКА ИЗМЕНЕНИЙ ГЕОКРИОЛОГИЧЕСКИХ ОБСТАНОВОК
Техногенные изменения геокриологических обстановок идут значи-
тельно интенсивнее, чем естественные. Совпадение их направлений может
существенно увеличить суммарный эффект геокриологического измене-
ния. Различие же направлений уменьшит преобразование этих обстановок.
При разведке требуется принципиально выяснить направление и меру
общего изменения геокриологических обстановок на основных частях
месторождения и его ближайших окресностей. Для составления прогноза
используются главным образом методы различных аналогий, которые
позволяют выявить влияние комплекса факторов, а также метод оценки
их влияния.
С помощью расчетных методов можно выявить приблизительно гео-
криологическое значение отдельных факторов [50] . Данные для расчета
берутся опять же по аналогии с освоенными месторождениями. Важно то,
что взаимодействие определяющих факторов выражается не только ка-
чественно. Они могут быть представлены, хотя и приближенно, числен-
ными величинами. В таком случае прогноз составляется с применением
системы расчетов предполагаемых преобразований составляющих тепло-
вого баланса толщи горных пород.
При горных работах снимаются широко распространенные покровные
суглинки, обусловленные криогенным выветриванием в СТС и СМС.
Эти образования нередко подстилаются зернистыми или трещиноватыми
породами. Удаление верхнего относительно водоупорного слоя обнажает
более проницаемые породы. На таких участках в прибрежных районах
Севера страны увеличивается инфильтрация атмосферных осадков, что
вызывает повышение температуры и протаивание ТМП. На юге криоли-
тозоны заболачивание депрессий сопровождается усиленней испарения,
понижением температуры и промерзанием пород.
Долю изменения геокриологической обстановки вследствие наруше-
ния состава пород можно представить, используя зависимость а = Х/с,
где а — коэффициент температуропроводности породы; X— коэффициент
теплопроводности; с — объемная теплоемкость.
Ориентировочное повышение температуры и протаивание мерзлых
пород с случае снятия верхнего суглинистого слоя или изменения прони-
цаемости пород можно оценить по данным о коэффициенте фильтрации
и мощности Я ГТ по зависимости Д7“ = ф'^К(кт)’, где Д7“ — разница темпе-
ратуры пород; Щкт) — разница водопроводимости (произведение коэф-
фициента фильтрации на мощность яруса с годовыми теплооборотами) ;
ф — коэффициент пропорциональности, равный (77/?)д/г; 7“ — температура
почвы (на глубине 3—5 см) в данный момент теплого сезона, h — глубина
до горизонта с минимальной температурой, т — продолжительность тепло-
вого сезона (в сутках) от начала его до момента измерения температуры.
Знание азимута и угла наклона поверхности данного участка позволяет
рассчитать различие в продолжительности облучения и угла приема солнеч-
ных лучей деятельным слоем по сравнению с горизонтальной поверх-
121
ностью территории, при свойственной ей графической широте и высотном
поясе. Количественное выражение зонального и поясного условия обычно:
оно состоит в указании широты и высоты местности.
При прогнозировании влияния будущего карьера необходимо учиты-
вать его размеры и расположение в рельефе, геологический разрез его
бортов. В карьере устанавливается застойный режим воздушных масс.
Это влечет за собой усиление снегоотложения. Увеличенный снежный
покров на дне карьера препятствует охлаждению пород зимой. Весной он
дает больше талых вод, чем было до возникновения карьера. Эти воды
инфильтруются, принося в породы много тепла. Застойный характер
воздушных масс в карьере обусловливает малую величину турбулентной
составляющей теплообмена горных пород карьера с воздушными мас-
сами. В итоге чаша карьера способствует увеличенному поступлению тепла
в породы. Их температура повышается и нередко они протаивают.
Криогенные изменения в карьерах тесно связаны с составом пород.
При прогнозировании необходимо принимать во внимание и различие в
трещиноватости пород. Скальные руды габбро-диабазового типа (напри-
мер, месторождение Норильск) в бортах карьеров характеризуются
густой открытой сетью трещин (до 30 трещин на метр). Трещины образу-
ют сквозную систему до глубины 10 м, с чем связана большая проницае-
мость пород и их значительные криогенные изменения.
В углевмещающих толщах песчаники и алевролиты с открытой трещи-
новатостью хорошо пропускают воду. Трещины аргиллитов при протаи-
вании и увлажнении, напротив, смыкаются и аргиллиты остаются водоу-
порными, существенно сокращая водопроницаемость угленосной толщи
в целом. Поэтому в угольных карьерах повышение температуры и прота-
ивание пород значительно меньше, чем в рудных.
Прогноз температурного режима пород уступов и дна в карьерах мож-
но рассчитывать как одномерную теплофизическую задачу на гидроинте-
граторе или на вычислительных машинах. Например, в постановке задачи
для месторождения Норильск учитывались: геологический разрез поперек
протяженной оси карьера и теплофизические свойства пород; начальное
распределение температуры ТМП по глубине, соответствующее примерно
2 °C на 100 м; температура пород на поверхности в течение года; темпе-
ратура в подошве Я ГТ около —6 °C, мощность мерзлой толщи равна
350 м; время развития карьера соответствовало 18 годам.
Задача сводилась к решению дифференциального уравнения тепло-
проводности Фурье. По результатам расчетов при углублении на 100 м
в карьере остается ТМП с температурой от 0 до —2 °C.
Изменение исходных геокриологических обстановок вследствие
проходки системы подземных горных выработок, не вышедших из ТМП,
происходит главным образом в результате принудительной вентиляции
выработок, особенно подогретым зимой воздухом. При выходе вырабо-
ток за пределы мерзлых толщ нарушение исходных геокриологических
обстановок происходит вследствие преобразования гидрогеологического
режима путем шахтно-рудничного отлива подземных вод. Откачка ведет
122
к осушению больших массивов горных пород, увеличению размеров ин-
фильтрующих таликов и к дополнительному промерзанию интенсивно
охлаждающихся горных массивов, где влияние инфильтрующихся вод поч-
ти не сказывается. Расчет оттаивания пород вокруг отдельной подземной
выработки осуществляется аналитическим методом [43] .
Существенные изменения геокриологических обстановок на эксплуа-
тируемых месторождениях происходят вследствие посадки кровли отра-
батываемых выработок. По трещинам обрушения отработанной части по-
ля в рабочие выработки вода затекает сверху, происходят утечка и подсос
воздуха с поверхности. В большинстве случаев подобные нарушения вы-
зывают повышение температуры пород, протаивание, а на участках, сло-
женных льдистыми породами, образование термокарста. Отмечаются
и противоположные явления. Подсос наружного воздуха в выра-
ботки приводит к локальному охлаждению и промерзанию окру-
жающих пород.
Ожидаемое влияние будущей промышленной площадки шахты или
рудника в районе разведуемого месторождения можно уподобить реакции
геокриологических обстановок на появление депрессии рельефа, грунты
которой обязательно окажутся уплотненными, поверхность загрязненной,
высота снежного покрова увеличенной или (в других районах) уменьшен-
ной, растительность уничтоженной и т.п. Такие нарушения условий влекут
за собой изменения поступления и расхода солнечной энергии, стока и
инфильтрации поверхностных вод по сравнению с их современным коли-
•чеством, характерным до техногенного вмешательства.
Повышение температуры и засоление ТМП неизбежно сопровождается
их дифференцированным протаиванием, начиная с увеличения таликов.
Реже протаивают острова мерзлых пород. Протаивание льдистых пород
и торфа на горизонтальных участках проявляется в форме термокарсто-
вых западин. Оседающие и уплотняющиеся породы талых массивов слож-
но деформируются. Вытаивание залежей льда приводит к образованию
округлых или полигональных западин и озер. Реже образуются пещеры.
Протаивание пород и вытаивание зележей льда на естественных скло-
нах и откосах выработок вызывают их быстрое солифлюкционное смеще-
ние или осыпание. Эти процессы нередко сочетаются с термоэрозией,
приводящей к развитию оврагов, ниш и ,,колодцев", а также термоабрази-
ей, приводящей к образованию ниш и обвалов на высоких крутых
берегах.
Понижение температуры пород и опреснение таликов обычно сопро-
вождается их промерзанием. При этом увеличивается сплошность ТМП,
уменьшаются число и размеры таликов. На промерзающих участках,
сложенных глинистыми породами и торфом, возникают бугры пучения,
иногда с ледяными ядрами. На буграх, да и на других площадях образуют-
ся морозобойные трещины. Слои промерзающих пород при пучении изги-
баются, местами их блоки взбрасываются. Такие деформации достигают
значительных размеров: нескольких десятков метров по высоте и нес-
кольких сотен — по горизонтали.
123
Глава 7
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТ НА ОСНОВНЫХ СТАДИЯХ ПОИСКОВ
И РАЗВЕДКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ
И ОСОБЕННОСТИ ИХ ИЗУЧЕНИЯ
При постановке гидрогеологических и инженерно-геологических работ
необходимо руководствоваться общими требованиями к изучению место-
рождений (см. гл. 1). В связи с многообразием геологического строения
месторождений в каждом случае при определении видов и объемов работ
следует учитывать конкретные геолого-структурные, гидрогеологические
и инженерно-геологические условия и определяемую ими степень слож-
ности изучения месторождений, а также стадию разведки, намечаемые
способ и системы отработки и осушения разведуемого месторождения,
его размеры. На большинстве месторождений проводятся практически
все основные виды работ; для различных типов и сложности изучения
месторождений меняется их сочетание и значимость в общем комплексе
исследований.
В стадию предварительной разведки размещение работ на месторожде-
нии зависит от типа месторождения, а по району — от распространения
основных водоносных горизонтов и их граничных условий; при детальной
разведке — от проектируемого способа разработки полезного ископае-
мого. Объемы работ в значительной мере определяются типом месторо-
дения и сложностью его изучения, количеством водоносных горизонтов,
характером неоднородности фильтрационных свойств, разнообразием
петрографических разностей пород. Во всех случаях большое значение
имеют факторы, осложняющие природные условия месторождений
(см. гл. 5).
При дальнейшем изложении указываются примерные объемы гидро-
геологических и инженерно-геологических работ применительно к место-
рождениям средней сложности изучения и к средним по размерам шахт-
ным или рудным полям, принимаемым согласно практике работ соответ-
ственно примерно 20 и 5—7 км2. При значительных размерах месторож-
дений объемы работ могут быть несколько изменены. Приведенные объ-
емы гидрогеологических работ относятся к одному водоносному горизон-
ту; общие — определяются в зависимости от количества водоносных
горизонтов, подлежащих изучению; дополнительные — требуются в ус-
ловиях пересечения месторождения рекой, развития островной мерзлоты
и т.п.
На поисковых стадиях в изученных районах съемочные и буровые
работы специально в гидрогеологических и инженерно-геологических
целях обычно не проводятся. Для характеристики гидрогеологических
и инженерно-геологических условий территории используются результаты
съемок (геологических, гидрогеологических, инженерно-геологических,
геокриологических) масштаба 1:200 000 и крупнее, а также фондовые
и опубликованные материалы.
124
В новых, слабо изученных районах, в ходе геологических исследований
на предполагаемых месторождениях должны выполняться описание
колодцев, источников и других выходов подземных вод, инженерно-
геологических явлений и процессов; наблюдения при бурении скважин.
На одном из разбуренных поисковых профилей, в 1—3 скважинах, выпол-
няется инженерно-геологическая документация керна, определяются
характер трещиноватости и водоносность пород, наличие и мощность
толщи мерзлых пород, их льдистость, количество предполагаемых водо-
носных горизонтов. Замеряются уровни и отбираются пробы подземных
вод, перед этим проводится прокачка скважин. Скважины должны быть
сохранены для последующих наблюдений за режимом подземных вод.
Целесообразно проведение 1—2 пробных откачек из основных водоносных
горизонтов.
Физико-механические свойства пород определяются по 1—2 скважинам
с помощью полевых экспресс-методов или лабораторными методами по
единичным пробам.
Выявляется необходимость проведения комплексной среднемасштаб-
ной гидрогеологической и инженернотеологической съемки, которая
должна опережать по срокам проведение работ предварительной разведки.
На стадии предварительной разведки проводятся все основные виды
гидрогеологических и инженерно-геологических работ, необходимых
для решения задач по прогнозной оценке условий эксплуатации месторож-
дения и воздействия горных работ на окружающую среду.
Комплексные съемки (масштабы 1:50 000— 1:200 000) выполняются
с охватом участков питания и разгрузки основных водоносных горизон-
тов, по возможности в пределах всей гидрогеологической структуры (не-
крупного артезианского бассейна, гидрогеологического массива и т.д.),
к которым приурочено месторождение, а также площади развития экзо-
генных геологических явлений. В хорошо изученных районах, где съемки
уже проведены, осуществляется обследование интересующих территорий.
Наряду с комплексной съемкой проводятся полевые геофизические ис-
следования (вертикальное электрозондирование, электропрофилирова-
ние, магниторазведка, гравиразведка и др.). Наблюдения в процессе
бурения выполняются на всех скважинах, независимо от их назначения
(разведочных, гидрогеологических, инженерно-геологических).
На месторождениях с мощной корой выветривания, наличием плыву-
нов, многолетней мерзлоты для характеристики пород вскрыши, пород
лежачего и висячего боков полезного ископаемого и определения специ-
фических свойств пород производится бурение специальных инженерно-
геологических скважин или предусматривается использование геолого-
разведочных скважин специальных конструкций. Они размещаются на
каждом участке, отличающемся инженерно-геологическими особенностя-
ми (структурно-тектоническими, литолого-фациальными и др.).
Инженерно-геологическое изучение свойств пород полевыми методами
проводится во всех инженерно-геологических и намеченных для этого
геологоразведочных скважинах и горных выработках, предусмотренных
проектом разведки. Для этих целей выбираются 3—4 профиля, ориенти-
125
рованных согласно и вкрест простирания основных структур месторожде-
ния, на каждом из которых должны быть 3—4 скважины.
В зависимости от сложности инженерно-геологических условий коли-
чество изученных скважин может составлять от 10 до 25 % числа всех
пробуренных на месторождении. В целом число инженерно-геологических
скважин на этой стадии разведки ориентировочно составляет 20—30 %
общего их количества на стадиях предварительной и детальной разведки.
В случае изменчивого литологического состава и физико-механических
свойств, повышенной трещиноватости пород документация проводится
также по гидрогеологическим скважинам.
В районах с многолетнемерзлыми породами комплекс инженерно-
геокриологических работ должен включать анализ материалов или про-
ведение инженерно-геокриологической съемки месторождения масштаба
1:25 000 — 1:50 000, инженерно-геокриологические наблюдения в опор-
ных скважинах и горно-разведочных выработках, геотермические наблю-
дения в отдельных разведочных скважинах (по всей глубине) с проведе-
нием годичного цикла наблюдений, бурение отдельных инженерно-гео-
криологических скважин с массовым полевым определением льдистости
песчано-галечных и глинистых пород и лабораторным исследованием мерз-
лых и талых пород.
Гидрогеологические скважины закладываются на каждый водоносный
горизонт. Число скважин зависит от характера неоднородности пород
[4, 29]. При упорядоченной неоднородности фильтрационных свойств
пород, когда можно установить литолого-фациальные и петрографичес-
кие границы участков и зон, каждый водоносный горизонт или зона дол-
жны опробоваться таким образом, чтобы на выделенные участки прихо-
дилось по 1—2 одиночной откачки. Кроме того, для характеристики ем-
костных свойств и более достоверного определения фильтрационных
свойств пород на характерных участках месторождения проводятся 2—3
кустовые откачки. При этом наблюдательные скважины необходимо рас-
полагать на участке, где проводится откачка (2—3 скважины), и на бли-
жайших смежных участках (по 1—2 скважины).
При хаотической неоднородности фильтрационных свойств, когда
отдельные участки и их границы выделить невозможно, водоносный го-
ризонт опробуется большим числом одиночных откачек (13—17). Таким
образом, определяются фильтрационные свойства пород, характеризую-
щие неоднородность низшего порядка, участки которой соизмеримы с
зонами влияния одиночных откачек.
Для определения усредненных фильтрационных параметров, харак-
теризующих эффективную неоднородность, проводятся кустовые откачки
в пределах основных геолого-структурных элементов месторождения
(порядка 2—3 на месторождение). Лучи наблюдательных скважин кустов
ориентируются в направлении центральных скважин соседних кустов, а
также к границам водоносного горизонта. В 3—5 скважинах проводится
исследование изменения фильтрационных свойств по глубине методом
поинтервальных откачек (нагнетаний) или в 10—15 разведочных скважи-
нах с помощью пластоиспытателя. Применяется также расходометрия.
126
Граничные условия водоносных горизонтов изучаются преимуществен-
но методом кустовых откачек. На каждый вид граничного условия, ко-
торые чаще всего располагаются за пределами собственно месторождения,
задается ориентировочно по 1 кустовой откачке. Каждый куст имеет
2 луча — один в сторону граничного условия и другой на его продолжении
в сторону месторождения — с 2—3 наблюдательными скважинами на каж-
дом луче.
Стационарные режимные наблюдения проводятся по 10—15 скважи-
нам. Они оборудуются на 1—2 поперечных, пересекающих центральную
часть и выходящих за пределы месторождения к областям питания и раз-
грузки водоносных горизонтов. Привлекая для этих целей картировочные
и геологоразведочные скважины, следует получить площадную картину
положения уровней воды, чтобы построить карту (схему) гидроизогипс
и пьезоизогипс.
В случае пересечения месторождений рекой необходимо проводить
гидрогеологические наблюдения за уровнем и расходом воды на двух
створах, расположенных перед входом и после выхода реки из
границ месторождения.
В процессе разведки месторождения подземными горными выработка-
ми выполняется их гидрогеологическая и инженерно-геологическая до-
кументация, периодическое обследование и стационарные наблюдения.
Необходимы обследование и документация действующих горных вырабо-
ток и карьеров-аналогов, особенно при большой их обводненности и на-
личии инженерно-геологических явлений в размерах, осложняющих веде-
ние горных работ.
Отбор проб на определение физико-механических свойств проводится
из горных выработок и скважин инженерно-геологического назначения.
Пробы исследуются преимущественно по сокращенному комплексу.
Число полных анализов составляет не более 20—25 %. На инженерно-гео-
логических и гидрогеологических скважинах проводится комплекс ка-
ротажных работ для корреляции геофизических замеров с характеристи-
ками свойств пород.
Пробы воды отбираются не менее чем по две при каждой откачке и
ежеквартально из большей части режимных скважин. Причем из одиноч-
ных откачек пробы воды предназначаются для сокращенного анализа,
а из центральных скважин — кустов — для полного химического, на спек-
тральный и газовый анализы.
На стадии детальной разведки работы большей частью сосредоточи-
ваются на собственно месторождении и проводятся в увязке с проектны-
ми проработками по схеме вскрытия, разработки и осушения месторож-
дения, а также по размещению отвалов, гидротехнических сооружений,
отходов обогащения, выполнению мероприятий по охране окружающей
среды. Гидрогеологические и инженерно-геологические исследования на
этой стадии дополняют и уточняют материалы предварительной разведки,
повышая степень достоверности определяемых параметров и прогнозных
оценок.
Комплексная съемка или обследование проводятся в пределах место-
127
рождений в масштабе 1:10 000 — 1:25 000. Они наиболее необходимые в
случаях изменчивого литологического состава и физико-мехнических
свойств пород, наличия пород с неблагоприятными инженерно-геологичес-
кими свойствами, развития на месторождении геодинамических и геокри-
ологических процессов и явлений, а также невыдержанных водоносных
горизонтов, очагов питания и разгрузки подземных вод, их тесной связи
с реками и водоемами, развития карста.
На этой стадии осуществляется сгущение сети инженерно-геологичес-
ких скважин и точек опробования, особенно на участках первоочередной
отработки. В зависимости от сложности условий количество изучаемых
скважин может составлять от 10 до 20 % числа всех пробуренных на мес-
торождении. Преобладающая часть проб пород исследуется по полному
комплексу. Количество полных определений может составлять до 40—
50 % общего их числа. Проводятся полевые исследования свойств пород в
естественном залегании.
Инженерно-геологические скважины бурятся по контуру и внутри на-
мечаемого карьера, на участках въездных траншей, а также на участках
заложения будущих шахт, капитальных околоствольных выработок и в
местах наибольшей изменчивости состава и свойств пород месторождения.
Под основные наземные сооружения бурятся скважины мелкого заложе-
ния.
При открытой разработке предусматривается инженерно-геологичес-
кое изучение всего вскрытого скважинами разреза, включая полезное
ископаемое и подстилающие породы. При подземном способе отработки
полные разрезы изучаются по скважинам, пробуренным для выяснения
геолого-структурного строения месторождения и в местах заложения
первоочередных горных выработок, а также для характеристики поведе-
ния пород в зонах предполагаемого сдвижения и в лежачем боку полез-
ного ископаемого. В основной массе геологоразведочных скважин инже-
нерно-геологическое изучение по всему разрезу проводится выборочно
для характеристики свойств основных петрографических типов пород
и более детально в зонах приконтактовых изменений, а на угольных мес-
торождениях в кровле и почве рабочих пластов.
В выборочном порядке для характеристики особых свойств изучае-
мых пород (плывунных, разрабатываемое™ и т.д.) должны проводиться
специальные виды определений (показатель ползучести пород, длительная
прочность, абразивность, удельная теплоемкость, теплопроводность,
способность к налипанию, сопротивление изгибу, морозостойкость).
Оценивается напряженное состояние пород по состоянию керна, а также
с помощью прямых и косвенных геофизических методов.
Разведочные горные выработки документируются в масштабе
1:1 000 — 1:5 000: детально описываются водопроявления, составляются
планы трещиноватости и ослабленных зон по стенкам выработок, заме-
ряются дебиты крупных водопроявлений и общий водоприток, фиксиру-
ются деформации крепи и инженерно-геологические явления. Отбираются
пробы пород и воды.
В районах с многолетнемерзлыми породами проводятся инженерно-
128
геокриологические съемки масштаба 1:10 000 — 1:25 000, а на участках с
особо сложными условиями — более крупного масштаба; инженерно-
геокриологические наблюдения во многих разведочных скважинах и
горно-разведочных выработках (температурный режим в сухих и запол-
ненных водой скважинах, положение ледяных пробок) ; бурение инженер-
но-геокриологических скважин с постановкой в них режимных геотерми-
ческих наблюдений; опытные и лабораторные исследования мерзлых, та-
лых и протаивающих пород (осадки при оттаивании, прочностные, фильтра-
ционные и другие свойства) ; геофизические исследования, уточняющие
мощность и распространение по площади мерзлой толщи, местоположение
таликов.
В выработках изучаются явления, обусловленные наличием мерзлых
пород. Определяются объемы льда в трещинах и пустотах, прочность
контактов льда и пород. Горные выработки оборудуются термометричес-
кими площадками для выяснения отепляющего воздействия на мерзлые
породы положительных температур и вентиляции.
Гидрогеологические работы направляются на детальное изучение водо-
носных горизонтов и зон, подземные воды которых будут формировать
водопритоки в горные выработки. Проводятся геофизические работы по
детализации инженерно-геологического разреза, особенно в почве и кров-
ле полезного ископаемого, строения водоносных комплексов и обводнен-
ности зон тектонической трещиноватости. Уточняются фильтрационные
свойства пород на конкретных участках первоочередной отработки и дре-
нажных сооружений, а также усредненные гидрогеологические параметры
основных водоносных горизонтов, для чего проводятся более продолжи-
тельные кустовые откачки с наибольшим водоотбором.
Применительно к открытым горным работам опытно-фильтрационные
работы проводятся на все водоносные горизонты, в которых будут выпол-
няться осушительные и водопонизительные мероприятия. Для получения
характеристик фильтрационных свойств пород внутри карьерного поля,
на бортах карьера и на линии проектируемого дренажного контура в об-
щем случае рекомендуется проводить 3—5 одиночных и 2—3 кустовых от-
качек на горизонт. Лучи наблюдательных скважин располагаются вкрест
бортов карьера в направлении к периферии месторождения.
На месторождениях, проектируемых к разработке подземным спосо-
бом, основные объемы опытно-фильтрационных работ должны приходить-
ся на ближайшие к горным выработкам водоносные горизонты. На участ-
ках подготовительных выработок и осушительных систем проводятся
1—3 кустовых откачек и 5—8 одиночных откачек на горизонт. Наблюда-
тельные скважины в кустах располагаются на 1—3 лучах в зависимости
от характера изменчивости фильтрационных свойств и граничных условий
водоносного горизонта.
Продолжаются режимные наблюдения за подземными водами по сети
скважин, ранее оборудованных для этих целей и доплнительно включен-
ных в режимную сеть после проведения опытно-фильтрационных работ
при детальной разведке. Продолжаются также гидрологические наблюде-
ния на реках, пересекающих месторождение. В процессе всех работ прово-
дится опробование подземных и поверхностных вод.
9-5190
129
Для прогнозных гидрогеологических и инженерно-геологических
оценок по методу аналогий проводится целенаправленное обследование
эксплуатационных горных выработок, находящихся вблизи разведуемого
месторождения или в другом районе, но в аналогичных условиях.
Наличие на месторождениях долин с развитым водообильным аллюви-
ем, региональных водоносных тектонических зон, островной мерзлоты,
мощных кор выветривания, зон ослабления и т.п. осложняет изучение
месторождений и требует, как отмечалось выше, проведения гидрогеологи-
ческих и инженерно-геологических работ в больших объемах, чем указы-
валось выше.
Для изучения аллювия речной долины требуется проведение кусто-
вой откачки. При большой мощности аллювиального водоносного гори-
зонта, для изучения вертикально-горизонтальной анизотропии фильтра-
ционных свойств, на луче, направленном к реке, кроме наблюдательных
скважин с фильтрами, на уровне фильтра центральной скважины оборуду-
ются пьезометры, установленные по вертикали в 3—4 интервалах. Один
пьезометр устанавливается непосредственно под уровнем грунтовых вод.
В речных долинах, в районах развития толщ мерзлых пород, кроме
откачек из подмерзлотных водоносных горизонтов проводятся длитель-
ные кустовые откачки из подрусловых таликов.
На участках обводненных зон региональных разломов проводится
кустовая откачка, выявляется анизотропия фильтрационных свойств
вдоль зоны и поперек ее. Куст скважин состоит из 2—3 лучей. Один луч
направляется вдоль зоны разлома, другие перпендикулярно к нему. Сква-
жины, расположенные на луче вдоль разлома, удаляются от центральной
примерно на 100, 200, 300 м; скважины на других лучах — на расстояние
10, 20, 30, 50, 100 м. Всего на кусте может быть 4—8 наблюдательных
скважин.
Для изучения глубоких водоносных горизонтов, кор выветривания,
зон и поверхностей ослабления, глубоких частей массивов пород, толщ
мерзлых пород используются геологоразведочные скважины и дополни-
тельно бурятся специальные гидрогеологические и инженерно-геологичес-
кие скважины (см. гл. 5).
На стадии доразведки виды и объемы работ определяются конкрет-
ными природными условиями изучаемых участков и требуемой дополни-
тельной информацией. В общем случае следует руководствоваться реко-
мендациями, изложенными выше применительно к стадии детальной раз-
ведки.
На стадии эксплуатационной разведки работы заключаются в основ-
ном в бурении и испытании опрежающих скважин, закладываемых из
горных выработок и частично с поверхности, применении комплекса
геофизических методов исследования в забоях горных выработок, в сква-
жинах, на дневной поверхности. Важное значение имеют организация и
проведение стационарных режимных наблюдений за подземными водами,
водопритоками в горные выработки, состоянием массива горных пород;
а также систематическое обследование выработок, территории деятель-
ности горнодобывающего предприятия; обобщение опыта эксплуатации
месторождения.
130
Наряду с общими положениями методики изучения месторождений
различных типов (см. гл. 2) , для каждого из них свойственны свои осо-
бенности постановки исследований, обусловленные различными гидро-
геологическими и инженерно-геологическими условиями.
Для месторождений I типа основными особенностями, определяющи-
ми постановку исследований, являются: распространение сравнительно вы-
держанных пластов пористых и трещиноватых пород различного литоло-
гического состава (песков, песчаников, глин, известняков, мергелей),
слабо затронутых вторичными преобразованиями; многопластовое строе-
ние массива, обусловливающее чередование выдержанных водоносных
горизонтов и компексов со слабопроницаемыми разделяющими пласта-
ми; широкое площадное распространение водоносных и водоупорных
пластов; преимущественно затрудеиный вертикальный водообмен.
Увеличение количества основных литологических разностей пород и
водоносных горизонтов, возрастание гидростатических напоров и разно-
образия типов химического состава подземных вод происходят в направ-
лении от краевых частей платформ к центру, а также с ростом глубин за-
легания полезного ископаемого. Более активная гидравлическая взаимо-
связь между водоносными горизонтами и поверхностными водами, вслед-
ствие выклинивания разделяющих пластов, имеет место в краевых частях
платформ.
Широкое площадное распространение основных водоносных горизон-
тов повышает требование к изучению их в региональном плане. Исследова-
ние массива пород в разрезе в значительной мере зависит от предполагае-
мого способа разработки месторождения. При открытых разработках
необходимо изучение в равной мере всех пластов пород и водоносных го-
ризонтов. В случае применения подземного способа в большей степени
изучаются пласты, вмещающие полезное ископаемое, и породы кровли и
почвы, а также водоносные горизонты, активно участвующие в формиро-
вании водопритоков в горные выработки, и степень их гидравлической
взаимосвязи.
Если продуктивный пласт перекрыт региональным водоупором, то
водоносные горизонты, залегающие над ним и непосредственно не участ-
вующие в обводнении горных выработок, не требуют тщательного изуче-
ния. Вместе с тем на участках заложения шахтных стволов должно быть
обеспечено гидрогеологическое и инженерно-геологическое изучение всего
разреза пород.
Постановка гидрогеологических работ должна учитывать возможность
развития депрессионных воронок на десятки километров, а также воз-
можное взаимодействие осушительных систем и водозаборов подземных
вод, значительно удаленных друг от друга.
В процессе крупного водоотбора и больших понижений может проис-
ходить оседание земной поверхности в результате снятия первоначального
высокого гидростатического напора в мощной песчано-глинистой толще
пород. Предпосылки к развитию оседания и его величина должны быть
установлены при разведке месторождения.
На месторождениях, расположенных вблизи области выхода водонос-
ных горизонтов на дневную поверхность, должны быть определены пара-
131
метры водоносного горизонта в безнапорной зоне и степень гидравличес-
кой взаимосвязи с реками, общие условия питания и разгрузки подзем-
ных вод.
В связи с необходимостью получения характеристики водоносных го-
ризонтов на значительной площади большое значение приобретают ком-
плексные гидрогеологические и инженерно-геологические съемки мас-
штаба 1:200 000 и крупнее. По их результатам должно быть освещено рас-
пространение в районе основных водоносных горизонтов, их параметры,
граничные и гидрохимические условия. Для уточнения этих данных, при
использовании материалов ранее проведенных съемок, может потребо-
ваться бурение в районе месторождения единичных скважин на характер-
ных геоморфологических и геолого-структурных участках.
Наземными геофизическими исследованиями изучаются распростра-
нение и неоднородность основных водоносных горизонтов и водоупоров
при их сравнительно неглубоком залегании, обеспечивающим эффектив-
ность геофизических методов. Выявляются также контуры подземных
вод высокой минерализации.
Для характеристики фильтрационных свойств водоносных горизонтов
на стадии предварительной разведки по площади месторождения прово-
дятся одиночные откачки в количестве 3—5 на каждый горизонт. На опор-
ных участках осуществляются 1—2 опытные кустовые откачки из
каждого водоносного горизонта, который будет активно влиять
на формирование водопритоков. Опытные кусты оборудуются ярусными
наблюдательными скважинами на этажно залегающие водоносные горизон-
ты. В водоносных комплексах большой мощности (более 100 м), сложен-
ных несколькими литологическими разностями пород, может потребовать-
ся провести по одной кустовой откачке (всего 2—3) на каждую основную
разность.
Для изучения граничных условий основных водоносных горизонтов
вблизи рек, крупных водоемов, тектонических нарушений необходимо
провести по кустовой откачке у каждой границы. При этом между цен-
тральной скважиной куста и границей должны быть заложены не менее
двух наблюдательных скважин и 1—2 — на том же луче в сторону основ-
ного массива водоносных пород (или параллельно границе).
В целом должны быть выявлены закономерности изменения фильтра-
ционных свойств водоносных горизонтов по площади, на основании ко-
торых могут быть построены карты водопроводимоцти.
Для выяснения условий питания и разгрузки водоносных горизонтов
и их взаимосвязи между собой по отдельным профилям могут выполнять-
ся гидрогеотермические и гидрогеохимические исследования; водно-
гелиевые опробования; отбор проб воды на содержание различных изото-
пов (17С, D, 18О, Т, Rn и др.), гидрохимические и газовые анализы;
отбор монолитов керна слабопроницаемых пород для отжима из них по-
ровых растворов с целью предварительной оценки параметров разделяю-
щих слоев гидрохимическим методом.
Пробы на специальные анализы отбираются из всех этажно расположен-
ных водоносных горизонтов, но в наибольшей мере в водоносных гори-
132
зонтах, ближайших к будущим горным выработкам. Отобранные пробы
Предназначаются для тех видов исследований, достаточная разрешающая
способность которых выявлена по опыту работ или на основе оценки
общегидрогеологических предпосылок для получения положительного
результата.
На стадии детальной разведки из основных водоносных горизонтов,
непосредственно обводняющих горные выработки, проводятся кустовые
откачки на участках заложения осушительных систем, рудничных дворов,
разрезных траншей и т.п., в целом в количестве одной — трех откачек из
каждого основного горизонта. Дебит откачки ориентировочно должен сос-
тавлять 1/20 от величины водопроводимости горизонта. Для подтвержде-
ния выдержанности свойств водоносных горизонтов или выявления неод-
нородных участков проводятся одиночные откачки.
В случае значительной водообильности водоносных горизонтов кусто-
вые откачки могут оказаться малоэффективными для изучения взаимо-
действия водоносных горизонтов или экранирующей роли регионального
водоупора, что важно с точки зрения формирования водопритоков и глав-
ным образом проблемы влияния осушения месторождения на гидро-
геологические условия района. Тогда проводится сосредоточенная груп-
повая откачка большой продолжительности с заложением наблюдатель-
ных скважин во всех изученных горизонтах (как и при кустовых откач-
ках) и установлением датчиков порового давления в основных слабопро-
ницаемых пластах, разделяющих водоносные горизонты.
При больших глубинах залегания полезного ископаемого важно уста-
новить гидрохимическую зональность подземных вод по разрезу и в
плане. На месторождениях неглубокого залегания,. где поверхностный
сток малых рек может непосредственно влиять на формирование водопри-
токов, важное значение приобретают гидрометрические работы.
Инженерно-геологическая информация по площади и разрезу место-
рождения накапливается по мере бурения геологоразведочных и гидро-
геологических скважин на всех стадиях разведки. Сеть скважин, в кото-
рых требуется проводить полную инженерно-геологическую документа-
цию, разряжается относительно сетки геологоразведочных и гидрогеологи-
ческих скважин и выбирается с таким расчетом, чтобы ее плотность была
примерно одинаковой в пределах изучаемой площади и в разрезе место-
рождения.
В стадию предварительной разведки для обеспечения полноты и равно-
мерности изучения может потребоваться бурение нескольких скважин
целевого инженерно-геологического назначения. При детальной разведке
специальные инженерно-геологические скважины требуется бурить с уче-
том разноса бортов карьера, зон сдвижения пород над отработанным прос-
транством и местоположения рудничных дворов и т.д. Общее число сква-
жин, предназначенных для инженерно-геологических исследований, состав-
ляет примерно 15—20. На больших шахтных полях угольных месторожде-
ний их число значительно увеличивается.
Отбор образцов пород для лабораторных испытаний производится
по разрезу через каждые 3—5 м при смене литологии пород. В случае
133
неоднородности литологического состава пород и наличия прослоев
слабых пород пробы отбираются чаще. В интервалах между местами от-
бора основных проб берутся дополнительные образцы для массовых ана-
лизов. Такой подход к опробованию большей частью применяется для
связных и несвязных пород. Пробы скальных и полускальных пород
могут отбираться через интервалы большей величины, но из каждой
основной петрографической разности.
При изучении физико-механических свойств пород следует учитывать
слоистость пород; испытание на сжатие и растяжение проводится парал-
лельно и перпендикулярно к слоистости. Применительно к условиям от-
крытой разработки в пределах развития связных и несвязных пород,
а также на контактах между слоями с резко различной прочностью может
потребоваться проведение единичных (на наиболее ответственных участ-
ках) натурных сдвиговых испытаний.
В осадочных толщах платформ нередко распространены пласты суль-
фатно-карбонатных, галогенных и галогенно-карбонатных пород (напри-
мер, на территории Восточной Сибири). Межслоевые пласты терригенно-
карбонатных пород могут быть подвержены интенсивному засолению и
гипсованию, что значительно усиливает их способность к разрушению под
воздействием атмосферных агентов. При бурении скважин по засоленным
породам и солям необходимо принять меры к предотвращению растворе-
ния пород (бурение насыщенными растворами поваренной соли и т.п.).
Инженерно-геологическое изучение таких пород должно включать
детальную характеристику загипсованных и засоленных пород, точную
привязку участков их развития, характер засоления (поровый, по тре-
щинам, в виде тонких прослоев и т.п.) пород, закономерности распростра-
нения загипсованных и засоленных толщ и пластов солей. Для пластов
солей должно быть установлено их строение и, в частности, наличие тонких
глинисто-карбонатных прослоев, фиксирующих смену условий солена-
копления.
Необходима организация долговременных систематических наблюде-
ний за изменением состояния пород, подверженных интенсивному разру-
шению в условиях дневной поверхности (засоленные и загипсованные раз-
ности, тонкослоистые породы). Для этих целей может быть создана эта-
лонная коллекция из наиболее характерных для месторождения образцов
пород. Частота, с которой проводится повторное документирование кер-
на, должна выбираться исходя из интенсивности процесса разрушения
керна и выполняться до стабилизации процесса дезинтеграции.
В случаях наличия пластов солей большой мощности и залегающих на
значительных глубинах, в комплекс лабораторных исследований должны
быть включены испытания для оценки реологических показателей.
Установленные в процессе изучения инженерно-геологические особен-
ности строения массива предопределяют возможность прогнозирования
условий возникновения различных инженерно-геологических явлений,
обусловленных особенностями состава пород (разбухание ангидритовых
пород, пучение глинистых слаболитифицированных разностей, выщелачи-
вание легкорастворимых пород).
134
Для прогноза инженерно-геологических явлений, связанных с проявле-
нием горного давления в условиях платформенных массивов с горизон-
тальным залеганием полускальных и скальных пород и незначительной
нарушенностью, могут быть применены наиболее простые схемы распре-
деления напряжений и использованы вероятностные методы оценки устой-
чивости выработок. Оценка может выполняться исходя из соотношения
величин прочности пород и действующих в массиве напряжений.
Гидрогеологические прогнозы осуществляются в основном гидродина-
мическим методом. Для более полного учета неоднородности водоносных
горизонтов, их гидравлической взаимосвязи, возможных границ в плане,
взаимодействия осушительных систем и водозаборов используются ана-
логовое и численное моделирование.
На месторождениях II типа исследуются как осадочный чехол, так
и горные породы и подземные воды складчатого фундамента. Фундамент
платформ обычно сложен первичноосадочными и магматическими горны-
ми породами, сильно метаморфизованными или превращенными в мета-
морфические толщи, интенсивно дислоцированные и разорванные дизъ-
юнктивными нарушениями. Соответственно этому расширяется изучае-
мый круг петрографических типов пород, включающий еще твердые крис-
таллические породы, среди которых встречаются выщелоченные про-
слои — в виде связных и несвязных пород. На конкретных месторожде-
ниях могут иметь развитие рыхлые и связные породы древней коры вы-
ветривания в кровле пород фундамента, а также в зонах дробления вдоль
курпных разломов.
К верхней зоне региональной трещиноватости пород кристаллического
фундамента приурочен напорный водоносный горизонт трещинных вод.
В отдельных тектонических зонах подземные воды могут встречаться и
значительно ниже этого водоносного горизонта.
Водопроницаемость и водообильность кристаллических пород большей
частью невелики и изменяются по площади и по глубине. При больших
глубинах залегания подземные воды пород фундамента имеют повышен-
ную минерализацию.
В соответствии с особенностями гидрогеологических и инженерно-
геологических условий на месторождениях II типа, кроме всего комплек-
са работ по изучению осадочного чехла, подобно месторождениям I типа
необходимо проводить исследования кристаллического фундамента.
Особенно тщательно должны быть изучены: древняя кора выветри-
вания, в том числе нередко связанные с ней остаточные и переотложенные
руды; линейно вытянутые и уходящие на глубину зоны и прослои неус-
тойчивых выщелоченных или перемятых пород; водоносная трещинова-
тая зона кристаллических пород и зон разломов; гидравлическая взаимо-
связь трещинных вод фундамента с вышележащим водоносным горизон-
том в осадочном чехле; разделяющая их толща пород, которая может
быть представлена породами коры выветривания и нижней части осадоч-
ного чехла (важна для оценки условий проходки первых горных выра-
боток ниже кровли фундамента).
В комплексе работ большое внимание следует уделять: массовым
135
наблюдениям при бурении геологоразведочных сквжин для получения
общей характеристики коры выветривания, зон выщелачивания, дробле-
ния и милонитизации, трещиноватости и водоносности пород, а также
использованию данных каротажа; бурению специальных инженерно-
геологических скважин для оценки пород в лежачем боку крутозалегаю-
щих тел полезного ископаемого; оценке напряженного состояния пород
с помощью геофизических методов или по аналогии с другими участками;
поинтервальным нагнетаниям и откачкам (пробным); применению плас-
тоиспытателей в геологоразведочных и во всех гидрогеологических сква-
жинах, предназначенных для опытных откачек и режимных наблюдений, с
целью количественной оценки водоносности основных петрографичес-
ких разностей пород, трещиноватых интервалов и зон.
Скважины поинтервального опробования пород размещаются сравни-
тельно равномерно по площади месторождения с последующим сгуще-
нием для прослеживания выявленных наиболее трещиноватых и водопро-
ницаемых интервалов и зон. Общее число опробованных скважин 15—20.
Водоносный горизонт кристаллических пород в целом или его наибо-
лее водообильная часть, а также водоносные зоны разломов опробуются
опытными одиночными и кустовыми откачками. Одиночные откачки
(в количестве 5—8) проводятся в основном на стадии предварительной
разведки в разных частях месторождения — на участках пород с различ-
ной водообильностью.
При кустовых откачках опытные скважины закладываются на участ-
ках пород наибольшей водопроницаемости. В общем случае наблюдатель-
ные скважины куста размещаются по двум лучам: вдоль и вкрест прости-
рания продуктивных пород (не менее 2—3 скважин в каждом луче).
Одна-две наблюдательные скважины оборудуются в вышележащем водо-
носном горизонте чехла осадочных пород для выявления гидравлической
взаимосвязи между водоносными горизонтами. Кустовые откачки в ко-
личестве одной—трех, в зависимости от степени неоднородности кристал-
лического массива, проводятся главным образом на стадии детальной раз-
ведки.
Основные гидрогеологические скважины, расположенные этажно
в различных частях месторождения, включаются в стационарную сеть ре-
жимных наблюдений.
Подход к прогнозным гидрогеологическим и инженерно-геологичес-
ким оценкам толщи осадочного чехла может быть сходным с оценками на
месторождениях I типа, а складчатого фундамента — с оценками на место-
рождениях III типа, описываемых ниже.
Месторождения III типа располагаются в пределах или по периферии
крупных интрузий, в массивах метаморфических пород, не перекрытых
осадочным чехлом. Рудные тела различны как по форме (пластовые, лин-
зовидные, жильные, неправильной формы), так и по условиям залегания
(от горизонтального до крутопадающего). Слагающие месторождения
магматические и метаморфические породы характеризуются массивной
текстурой и значительными вторичными изменениями — окварцеванием,
карбонатизацией, серицитизацией.
136
В целом они трещиноваты: развиты как тектонические, так и литоге-
нетические трещины. Характерны также секущие и послойные зоны
трещиноватости и дробления, проходящие по контактам пород и, в част-
ности, по контактам интрузивов с вмещающими породами.
Породы месторождений в основном представлены скальными разнос-
тями. В мощных тектонических зонах присутствуют раздробленные,
милонитизированные породы, в зоне поверхностного выветривания (кора
выветривания) — слабо сцементированные и рыхлые.
Подземные воды распространены в верхней зоне выветривания и экзо-
генной трещиноватости и трещиноватых зонах тектонических нарушений.
В гидрогеологическом отношении участки месторождения являются
частью гидрогеологических массивов - водоносных структур, сложенных
интрузивными и метаморфическими породами. Повышенная водообиль-
ность пород отмечается в зонах тектонических нарушений. Водоносные
трещиноватые зоны вдоль разломов могут прослеживаться на протяжении
до нескольких километров, т.е. на месторождении и за его пределами.
По своей мощности эти зоны (обычно наклонные или крутопадающие)
разнообразны. Наиболее водообильная их часть может составлять до нес-
кольких десятков метров.
В верхней выветрелой части массивов пород мощностью примерно до
200 м формируется водоносный горизонт трещинных вод, ниже в текто-
нических нарушениях — трещинно-жильные воды. Характерным элемен-
том гидрогеологических условий щитов может быть наличие водоносного
горизонта в наложенных структурах — в аллювиальных отложениях реч-
ных долин.
Отмеченные черты гидрогеологических и инженерно-геологических
условий месторождений III типа определяют основную направленность
их изучения при разведке. Исследуя месторождение в целом, значительное
внимание уделяется изучению: зоны выветривания коренных пород,
ослабленных зон контактов, трещиноватых зон тектонических нарушений,
специфических образований древней коры выветривания (выявление,
прослеживание по мощности и простиранию; приуроченность к определен-
ным типам пород и структурным элементам; определение состояния и
свойств пород, степени их трещиноватости и раздробленности по площади
и глубине) ; изменения физико-механических свойств пород вследствие
вторичных процессов и распределения участков измененных пород; инже-
нерно-геологических явлений и степени устойчивости пород в горных вы-
работках (на месторождениях-аналогах, на эксплуатируемых верхних
горизонтах месторождения, в геологоразведочных выработках) в зависи-
мости от физико-механических свойств, тектонической нарушенности и
водоносности массива; водоносных горизонтов трещинных вод зоны вы-
ветривания и аллювиальных отложений, трещинно-жильных вод зон тек-
тонических нарушений (распространение, гидрогеологические параметры,
граничные условия) ; гидравлической взаимосвязи трещинных и трещин-
но-жильных вод магматических и метаморфических пород с аллювиаль-
ным водоносным горизонтом и русловым потоком речных вод в случае
их непосредственной близости к горным разработкам.
137
При некотором развитии покровных отложений (например, на флан-
гах месторождения) они изучаются, включая водоносные горизонты,
подобно осадочному чехлу на месторождениях I типа.
Общую характеристику массива горных пород, особенностей зоны
выветривания и тектонических нарушений, трещиноватости и фильтра-
ционных свойств пород получают по результатам бурения геологоразве-
дочных скважин, данным каротажных исследований, включая расходо-
метрию, поинтервального опробования скважин нагнетаниями, пластоис-
пытателями и пробными откачками. Эта информация накапливается по
мере бурения геологоразведочных скважин в период предварительной и
детальной разведки.
Изучение трещиноватости пород, их свойств, поинтервальное фильтра-
ционное опробование производятся с расчетом определения глубины зату-
хания экзогенной трещиноватости, характеристики рудной залежи, вися-
чего и лежачего боков месторождения, зон разломов и их боковых пород.
Устанавливается глубина распространения подземных вод повышенной
минерализации. При отборе проб пород для лабораторных исследований
наиболее полно должна быть опробована непосредственная зона контакта
продуктивной толщи и пород висячего бока. В целом число проб для
определения физико-механических свойств по каждой из основных раз-
ностей пород ориентировочно составляет 30—50.
Специальные инженерно-геологические скважины бурят главным обра-
зом в стадию детальной разведки за пределами рудной залежи (где отсут-
ствуют геологоразведочные скважины). Они необходимы для изучения
древней коры выветривания, пород лежачего бока в предполагаемой зоне
сдвижения пород или будущего борта карьера, а также в наиболее мощ-
ных сильно перемятых раздробленных зонах разломов.
Основные опытно-фильтрационные работы на стадии предварительной
разведки могут быть ограничены одиночными опытными откачками на
участках с разной водообильностью зоны экзогенной трещиноватости и
в зонах крупных разломов.
В стадию детальной разведки опытными одиночными откачками
детализируются представления о фильтрационной неоднородности тре-
щиноватых зон, взаимосвязанных с геолого-структурными особенностями
массива пород. Гидрогеологические скважины закладываются в местах,
слабо изученных при предварительной разведке. Одна-две кустовые от-
качки проводятся на участках повышенной водообильности зоны экзоген-
ной трещиноватости и крупных тектонических нарушений. В первом слу-
чае может быть заложен один луч наблюдательных скважин, во втором -
два луча: вдоль тектонического нарушения (наблюдательные скважины
должны быть оборудованы на трещиноватую зону разлома) и поперек -
во вмещающих породах. Водоносные зоны разломов опробуются откач-
ками в интервале глубин предполагаемого вскрытия горными выработ-
ками.
Основная оценка гидрогеологических параметров аллювиального во-
доносного горизонта производится кустовой откачкой. До этого площад-
ная его характеристика получается по нескольким одиночным откачкам-
138
Размещать наблюдательные скважины необходимо таким образом, чтобы
при кустовой откачке можно было охарактеризовать связь аллювиальных
вод с речными. Несколько наблюдательных скважин куста оборудуются
на коренные водоносные породы — в центре куста, рядом со скважинами
на аллювий и вне контура аллювиальных отложений.
При большой изменчивости мощностей, контуров распространения и
свойств древней коры выветривания, аллювия, зоны экзогенной трещи-
новатости их изучение, а также прослеживание на прилегающей к место-
рождению территории осуществляются полевыми геофизическими мето-
дами.
Скважины для режимных наблюдений должны позволить изучить ре-
жим трещинных, трещинно-жильных и аллювиальных вод основных гео-
морфологических и геолого-структурных элементов массива пород.
Следует обратить внимание на то, чтобы скважины, заложенные на трещи-
новатые зоны разломов и вмещающие их породы, на аллювий и коренные
породы, были расположены близко друг к другу. Створ скважин должен
быть направлен в сторону реки, вблизи речного русла.
На основании инженерно-геологических исследования, а также по дан-
ным геологического изучения месторождения строятся прогнозные инже-
нерно-геологические разрезы и погоризонтные планы с районированием
массива месторождения по сложности инженерно-геологических условий
в его висячем и лежачем боках и рудной толще. Для этого используются
методы комплексной оценки основных факторов, аналогий, экстрапо-
ляции (при наличии эксплуатируемых верхних горизонтов месторож-
дения) .
Прогнозные оценки водопритоков могут выполняться методом анало-
гий (если в районе месторождения имеется опыт эксплуатационных ра-
бот) , аналитическими расчетами, гидравлическим методом в случае дос-
тижения при опытно-фильтрационных работах больших понижений уров-
ней подземных вод.
Месторождения IV типа отличаются большим разнообразием петро-
графических типов горных пород и видов подземных вод. Наряду с пре-
обладанием вулканогенных, метаморфических, метасоматических и оса-
дочных пород, здесь в различных сочетаниях с ними часто встречаются
разнообразные магматические породы.
Для массива этого типа характерно интенсивное развитие пликативной
и дизъюнктивной тектоники, нередко сложное блоковое строение, присут-
ствие крупных сложных тектонических нарушений (разломов), иногда
протягивающихся на многие километры, существенно усложняющих
строение массивов, увеличивающих неоднородность их состояния. Слож-
ность структурно-тектонического строения массива этого типа обусловли-
вает его нахождение в состоянии неравномерного напряжения, которое в
результате разгрузки при проходке горных выработок может привести к
появлению неблагоприятных инженерно-геологических явлений.
Приуроченные к данному типу массивов месторождения часто имеют
гидротермальное или метасоматическое происхождение, залегают вдоль
крупных рудопроводящих разломов или на их пересечении и связаны с
139
вулканогенными покровами и интрузивными телами. Вулканогенно-оса-
дочные породы, как правило, сильно дислоцированы, а физико-механичес-
кие свойства пород характеризуются большой-изменчивостью. На место-
рождениях развиты подземные воды нескольких видов: пластово-поро-
вые в пластах туфов; порово-трещинные и трещинные в песчаниках,
конгломератах и лавовых покровах; трещинные и трещинно-жильные в
рудах и интрузивных телах.
Интрузивные и метаморфические породы на поднятиях образуют
гидрогеологические массивы; лавовые потоки и осадочные породы в
понижениях могут образовывать вулканогенные гидрогеологические
бассейны, иногда заключающие в отдельных пластах напорные и даже
фонтанирующие воды. Долины крупных рек и региональные зоны разло-
мов являются областями разгрузки подземных вод. На метаморфичес-
ких и магматических породах распространены аллювиальные отложения,
и если они представлены слоями галечников мощностью в несколько де
сятков метров, то могут быть сильно водоносными. В коренных породах
распространены подземные воды различной минерализации и химического
состава. Для зоны окисления рудных залежей характерны кислые воды.
При проведении работ на месторождениях IV типа наиболее важно изу-
чить: положение месторождения в тектонической схеме района (интрузив
ное тело, антиклиналь или синклиналь, наложенная структура, мульда
и т.д.) и его гидрогеологическое значение; залегание полезного ископае
мого по отношению к массиву пород месторождения (пластообразное
тело, секущая жила, вкрапленность в массиве, залежь неправильной
формы, линейная зона разлома и т.д) ; положение месторождения в гидро
геологической структуре региона (гидрогеологический массив, вулкано
генный бассейн, наложенная структура и т.д.*) ; основные разломы, ослож-
няющие строение массива пород, их обводненность и гидрогеологические
параметры, инженерно-геологическую роль разломов; возможность раз-
вития напорных горизонтов в вулканогенных бассейнах, их гидрогеологи-
ческие параметры, граничные условия; глубину зоны экзогенный трещи
новатости и водоносности пород; наличие метасоматических измененных
пород с выделением участков окварцевания, серицитизации и хлоритиза-
ции пород; мощность древней коры площадного и линейного выветрива-
ния горных пород; зоны, сложенные обломочными разностями вулкано-
генных и других пород; распространение зон различной степени трещино-
ватости и рассланцевания пород в основных элементах складчатых струк-
тур (ядро, свод, крылья) ; условия залегания, состояние и свойства сери-
цитизированных пород на контактах с полезным ископаемым в зонах
тектонических нарушений; источники восполнения подземных вод, сов-
падение их с районом месторождения или удаленность от него; мощность
и фильтрационные свойства аллювиальных отложений на территории
месторождения, особенно выделяя галечниковые отложения; гидрогео-
логическую роль различных даек эффузивных и интрузивных пород,
особенно при блоковой структуре месторождения; характер и параметры
поверхностных водотоков, пересекающих месторождение, и периодич-
ность их действия, крупные водоемы; плановую и вертикальную фильтра-
140
ционную и гидрохимическую зональность подземных вод, распростране-
ние кислых вод.
На месторождениях этого типа проводится комплекс работ, описанный
в гл. 4; исследования, имеющие некоторые особенности, включают в ос-
новном следующее:
проведение комплексной гидрогеологической и инженерно-геологи-
ческой съемки на основе геологической карты месторождения с макси-
мальным привлечением имеющихся аэрокосмических материалов. Мас-
штаб съемки зависит от размеров месторождения, но должен быть не
мельче чем 1:25 ООО —1:10 000. При съемке обращается внимание на сов-
ременные геодинамические явления (обвалы, осыпи и т.д.), связанные с
петрографическими особенностями пород, и устойчивость пород в естест-
венных и искусственных (выемки дорог) обнажениях с определением
естественного угла откоса. Картируется трещиноватость пород, особенно
в областях питания (плоскогорья, горные склоны) и разгрузки подзем-
ных вод, а также фиксируются особенности выхода родников и источ-
ников в ущельях и цокольных террасах. Важно детально обследовать
имеющиеся на смежной с месторождением территории эксплуатируемые
или старые горные выработки;
бурение геологоразведочных, а также специальных гидрогеологичес-
ких и инженерно-геологических скважин с использованием комплекса
каротажных работ для выделения всех интервалов трещиноватости и
дробления пород, выявления их водоносности, прослеживания крупных
тектонических нарушений. В скважинах рекомендуется производить
отбор ориентированного керна для замеров пространственной ориенти-
ровки оперяющих тектонические нарушения трещни. Специальные инже-
нерно-геологические скважины бурятся для изучения пород древней
коры выветривания, в зоне окисления (в случае геологоразведочного
бурения по ним без выхода керна), в лежачем боку месторождения, где
могут отсутствовать разведочные скважины;
инженерно-геологическое изучение керна скважин с фиксацией глуби-
ны вскрытия и мощности зон дробления, характера зеркал скольжения,
наличия глинисто-обломочного заполнителя и его состава. Из всех таких
зон отбираются пробы для определения физико-механических свойств
пород. При бурении скважин фиксируются все признаки вскрытия трещи-
новатых зон и подземных вод (полное или частичное поглощение раство-
ра, интервалы резкого изменения его вязкости и т.п.). Инженерно-
геологическая документация разведочных скважин выполняется выбороч-
но в объеме примерно 15—25 % общего метража разведочного бурения;
документацию подземных горных выработк с проведением наблюде-
ний в ходе горных работ и подземной гидрогеологической съемки, с орга-
низацией режимных наблюдений за притоками воды, водоотливом и уров-
нями воды в прилегающих к горной выработке скважинах. При проведе-
нии гидрогеологической съемки, обследовании горных выработок отби-
раются пробы воды на исследование химического состава, выявляются
зоны распространения кислых вод. При исследовании подземных горных
выработок необходимо рационально сочетать общую инженерно-геологи-
141
ческую документацию, учитывающую смену типов пород, характер вто-
ричных изменений, трещиноватость, с детальными исследованиями на эта-
лонных участках, размеры и количество которых обусловливаются слож-
ностью строения исследуемого месторождения. Особое внимание уделяет-
ся фиксации типа метасоматических изменений пород, характера их слоис-
тости и сланцеватости, состава и строения зон контактов руд и вмещаю-
щих пород, строения и состава тектонических нарушений и зон дробления,
интенсивности инженерно-геологических явлений (куполение, вывалы,
отслаивание) в горных выработках. Документация должна сопровождать-
ся данными исследований напряженного состояния пород, проведенных
геофизическими тензометрическими методами;
инженерно-геологическое опробование по скважинам и горным вы-
работкам с охватом основных разновидностей пород и руд месторожде-
ния, а также всех пород со вторичными преобразованиями (окварцева-
нием, хлоритизацией, карбонатизацией, серицитизацией и т.д.). Первона-
чально опробование рекомендуется проводить по одному-двум профилям,
ориентированным согласно и вкрест простирания основных структур
месторождения, в дальнейшем сеть опробования сгущается;
петрографическое изучение пород в прозрачных шлифах в связи с
большой изменчивостью состава и строения пород и влиянием этой измен-
чивости на их физико-механические и другие свойства;
режимные наблюдения за уровнями подземных вод в одиночных сква-
жинах, расположенных в областях питания и на самом месторождении
таким образом, чтобы изучить режим разных видов подземных вод. Перед
заложением скважин желательно проведение полевых геофизических ра-
бот, для уточнения схемы развития основных водоносных зон. По данным
режимных наблюдений месторождение районируется по условим воспол-
нения подземных вод;
проведение опытно-фильтрационных работ в большом объеме в связи
с сильной изменчивостью гидрогеологических условий. Пластоиспытателя-
ми опробуются до 20—30 % всех разведочных скважин. При малых объе-
мах разведочного бурения опробуется примерно 20 скважин. Интервалы
каждого опробования порово-трещинных и трещинно-жильных вод не
должны превышать 50 м. На фонтанирующих скважинах необходимы ра-
боты по расходометрии с целью выделения и оценки водоносных интер-
валов; требуется установление напоров водообильных зон.
Опытные одиночные и кустовые откачки проводятся главным образом
в вулканогенных бассейнах, там, где выделяются выдержанные водонос-
ные горизонты. В других случаях опытные откачки выполняются при
повышенной водообильности крупных трещиноватых массивов и зон
разломов. На стадии предварительной разведки выполняются одна—три
одиночные откачки из каждого горизонта или трещиноватого массива
пород. В долинах рек и крупных водоносных зонах разломов проводятся
одна-две кустовые откачки. На участках первоочередных горных работ
на стадии детальной разведки из водоносных горизонтов со значительной
водообильностью (более 100 м2/сут) проводятся кустовые откачки.
В целом на месторождении должны быть проведены одна—три кустовые
142
откачки для каждого водоносного горизонта. Наблюдательные скважины
располагаются не менее чем по двум лучам с 2—3 скважинами и более
на каждом луче в зависимости от разнообразия петрографических типов
пород, их нарушенности разломами, внедрением даек и т.п.
Большое внимание должно быть уделено изученю региональных раз-
ломов. На стадии предварительной разведки в геологоразведочных сква-
жинах, вскрывающих региональные разломы, проводится опробование
пластоиспытателями. При установлении значительной водообильности
разлома, на стадии предварительной разведки проводятся одиночные
откачки из 2—3 скважин, q на стадии детальной разведки — 1 — 2 кустовые.
Вдоль разломов должно быть 1—2 луча наблюдательных скважин. Пер-
пендикулярно к разлому тоже закладывается один луч с 2—3 скважинами,
расположенными на небольшом расстоянии от центральной скважины
и друг от друга (примерно в 10м), так как влияние откачки может слабо
проявляться в стороне от разлома. Все виды опытно-фильтрационных
работ должны обеспечить оценку зональности фильтрационных свойств
массива пород в разрезе.
Для прослеживания трещиноватых зон разломов и выявления их гид-
равлической связи с реками может применяться гелиевая съемка, а при
кустовых откачках из зон разломов, пересекающих русла рек, отбираются
пробы подземных и речных вод на изотопные анализы.
При разведке месторождения горными выработками наблюдения за
водопритоками и режимом уровней подземных вод организуются таким
образом, чтобы их результаты можно было использовать для оценки
гидрогеологических параметров и прогноза водопритоков в будущие гор-
ные выработки. В процессе опытно-фильтрационных работ и режимных
наблюдений систематически производится отбор проб воды для гидро-
химических исследований.
Проноз водопритоков в горные выработки проводится несколькими
методами. При наличии опыта эксплуатации в подобных условиях он
выполняется методом гидрогеологической аналогии и применяются
гидродинамические методы, контролируемые балансовыми расчетами.
На ограниченных по площади водоносных структурах используется балан-
совый метод.
Если источники питания водоносных зон установить не удается, а водо-
обильность пород значительная, следует использовать гидравлический
метод. Условием его применения является или наличие опыта эксплуата-
ции верхних горизонтов месторождения, или проведение откачек из нес-
кольких скважин большой длительности (1 — 1,5 мес ) для достижения
большого понижения (десятки метров) в центре месторождения.
Инженерно-геологические прогнозные оценки месторожений на
практике большей частью выполняются методами классификации. По
результатам инженерно-геологического изучения строятся прогнозные
карты, разрезы и таблицы районирования месторождения с выделением
классов пород по степени устойчивости для различных намечаемых к
разработке горизонтов, по характерным профилям, ориентированным со-
гласно и вкрест простирания основных структурных элементов.
143
Месторождения V типа залегают в толщах осадочных, преимуществен-
но терригенных пород, представленных переслаивающимися песчаниками,
алевролитами, аргиллитами, конгломератами, гравелитами, реже извест-
няками. Эти толщи характеризуются закономерным чередованием плас-
тов указанных пород и имеют цикличное строение. На месторождениях
часто наблюдаются несколько относительно выдержанных по простиранию
и мощности пластов полезного ископаемого (угля, руд и др.).
В структурно-тектоническом отношении массивы месторождений
весьма разнообразны. Наряду с моноклинальными пологопадающими
породами в мульдах и грабенах, часто отмечаются интенсивно складчатые
структуры с резкими изменениями элементов залегания и большим коли-
чеством крупных и мелких разрывных нарушений в краевых прогибах
и мегасинклинориях. Вместе с тектоническими в породах присутствуют
литогенетические трещины, ориентированные перпендикулярно к наплас-
тованию и формирующе блочность массива.
Подземные воды сосредоточены в разветвленной сети трещин и в от-
дельных пластах. Часто характерно развитие подземных вод, формирую-
щих адартезианский бассейн, где основаня роль в распределении подзем-
ных вод принадлежит разнонаправленной системе трещин, а не литолого-
петрографическим особенностям пород. Зона экзогенной трещиноватости
развита в среднем до глубин 100-120 м, глубже преобладает зона тектони-
ческой трещиноватости, связанная с разрывными и пликативными нару-
шениями различного генетического вида и разного порядка по амплитуде.
Существенным отличием адартезианского бассейна от артезианского явля-
ется преобладание трещинных вод в слоистых отложениях. Причем в верх-
ней части массива развиты трещинно-грунтовые безнапорные воды, а
ниже — трещинно-напорные воды в водоносных горизонтах, залегающих
среди аргиллитов и в зонах тетконических нарушений.
Большая часть адартезианских бассейнов представляет собой струк-
туры, разбитые тектоническими нарушениями разной ориентировки и
падения (от крутопадающих до слабонаклонных) на серию блоков с раз-
личной, пестрой водообильностью в плане и разрезе.
В блоках между крупными тектоническими трещинами вода содержит-
ся в системе мелкой литологической трещиноватости и в порах грубооб-
ломочных пород. Зоны тектонических нарушений могут быть как питаю-
щими, по которым происходит приток воды в блоки, так и дренирующи-
ми, по которым осуществляется отток воды. В соответствии с преоблада-
нием притока или оттока в разных блоках отмечаются то пьезометричес-
кие купола, то депрессии пьезометрической поверхности.
В соответствии с цикличным характером отложений инженерно-гео-
логические свойства пород (физико-механические, деформационные,
трещинообразные, расслоение и т.п.) тоже изменяются ритмично.
Породы данного типа месторождений имеют различную фациальную
принадлежность, определяющую особенности их свойств и поведение
при отработке месторождений. С континентальными фациями нередко
связаны явления внезапных выбросов угля и газа, породы морских фаций
склонны к пучению в почве горных выработок и т.д.
144
Закономерности пространственного изменения мощности и состава
пород, определяющие размещение толщ с различными инженерно-геологи-
ческими свойствами, контролируются геотектоническим режимом, палео-
географической обстановкой в областях сноса, а также проявлением кон-
седиментационной тектоники. Для пород характерно наличие слоистости
и пластовой отдельности. Текстурная неоднородность пород определяет
анизотропность свойств пород по отношению к наслоению. Породы этого
типа месторождений отличаются и различной степенью литификации.
В соответствии с указанными особенностями рассматриваемых место-
рождений, при разведке следует изучить:
этажность и цикличность строения разрезов, характер и последователь-
ность напластования, фациальную принадлежность пород; пространствен-
ную изменчивость состава, строения и фильтрационных свойств различных
литологических и фациальных типов пород в связи с конседиментацион-
ной и тектонической структурой месторождения;
положение месторождения в гидрогеологической структуре (централь-
ная или краевая часть адартезианского бассейна или наложенной
мульды);
развитие водоносных горизонтов, величину их напоров, наличие или
отсутствие водоупорных пластов, условия питания подземных вод мас-
сива (выходы пластов на поверхность, под водотоки и водоемы), режим
подземных вод;
обводненность главных разрывных и пликативных нарушений;
глубину вреза речных долин в продуктивные отложения и степень об-
водненности более молодых отложений, перекрывающих массив циклично
переслаивающихся пород;
изменчивость физико-механических свойств основных литологических
и фациальных типов пород, обусловленную вариациями состава, строения,
фациальной принадлежностью, степенью катагенетических преобразований
и глубиной залегания;
трещиноватость пород, ее характер и интенсивность, пространственную
ориентировку и связь с отдельными элементами структур, скорости рас-
слоения пород на разных глубинах.
В процессе гидрогеологических и инженерно-геологических исследова-
ний следует обратить внимание на следующие рекомендации.
При проведении гидрогеологической съемки (1:10 000) или обследо-
вании месторождения важны геоморфологические наблюдения, выявление
глубины вреза долин современных и древних водотоков, что нередко
определяет положение и род граничных условий водоносных горизонтов.
Изучение керна скважин включает литологическую и фациальную ин-
дексацию пород с определением вскипаемости с соляной кислотой, раз-
мерности, количества и характера распределения песчаного или алеврито-
вого обломочного материала; текстуры пород, характера слоистости,
состава и типа цемента, содержания минеральных и органических остат-
ков, типа контактов между литогенетическими разностями; следует так-
же выделять интервалы присутствия литологических и послойных трещин,
наличие ,,зеркал" и борозд скольжения; определять пространственную
10-5190
145
ориентировку трещин относительно слоистости пород и оценивать ско-
рость расслоения в различной степени литифицированных пород на
различной глубине.
Исследование водоносности пород с помощью пластоиспытателей и
расходометрии проводится в массовом порядке, примерно в 15—20 %
разведочных скважин. Кроме того, на стадии предварительной разведки
из зон повышенной обводненности должно проводиться 5—7 одиночных
опытных откачек, размещенных по плоащади месторождения. Аллюви-
альные отложения опробуются 1—3 кустовыми откачками с 2 лучами
скважин (параллельно и перпендикулярно к реке). Число наблюдатель-
ных скважин на каждом луче от 3 до 5 с оборудованием части из них на
водоносные горизонты коренных пород. При наличии над продуктивной
толщей водоносных покровных отложений проводится одна кустовая
откачка, выявляется взаимосвязь с породами, содержащими полезное
ископаемое.
На стадии детальной разведки проводятся 7—10 одиночных и 2—3
кустовые откачки для оценки изменчивости фильтрационных свойств и
более достоверной оценки гидрогеологических параметров на первоо-
чередных участках эксплуатационных работ. При наличии крупных зон
обводненных нарушений они опробуются дополнительными 1—2 кусто-
выми откачками с 2 лучами наблюдательных скважин. Если наруше-
ние обладает большой водообильностью, то общее число наблюдательных
скважин может достигать 6—8.
Режим подземных вод изучается в основном по скважинам, вскрываю-
щим различные гидродинамические зоны в продуктивных отложениях
(безнапорные воды в приповерхностной зоне экзогенной трещиноватости,
напорные воды погруженных пластов и блоков пород, в зонах разломов)
и водоносные горизонты других отложений. Наблюдательные скважины
при этом располагаются в разных частях месторождения (с целью полу-
чения площадной характеристики режима уровней) и на прилегающей
территории по 1—2 профилям в сторону границ водоносных горизонтов.
Отбор проб для изучения физико-механических свойств пород произ-
водится по сети, разреженной по сравнению с разведочной в 2—3 раза.
Физико-механические свойства должны быть изучены по каждой лито-
логической разности пород, в пределах всех выделяемых на месторожде-
нии инженерно-геологических элементов (литологических разностей, зон
повышенной изменчивости свойств, тектонических нарушений и т.д.),
а также в местах заложения шахтных стволов или по контуру проектируе-
мого карьера. По разрезу должны предусматриваться интервалы детально-
го и особо детального изучения. Детально изучаются физико-механические
свойства пород в зоне возможного обрушения выработок, условно прини-
маемой равной 5—10-кратной мощности отрабатываемого пласта полез-
ного ископаемого; физико-механические свойства здесь определяются по
каждому слою, мощность более 1 м; при наличии толщ мощных однород-
ных пород допустимо разрежение между местами взятия пробы до 10—
15 м. Особо детально должны быть изучены физико-механические свойст-
146
ва пород непосредственной кровли и почвы отрабатываемого пласта.
Максимальный интервал изучения 1 — 1,5 м.
При предварительной разведке число проб, исследованных по полному
комплексу, должно составлять не более 20—25 % их общего числа, а при
детальной разведке — 40—55 %. Проведение полных определений предус-
матривается в основном по кровле и почве пластов полезного ископае-
мого, а также в скважинах, ближайших к местам заложения шахтных
стволов и околоствольных дворов. Для более полного изучения физико-
механических свойств необходимо использование данных каротажа
скважин.
С целью учета анизотропии свойств, обусловленных слоистостью
пород, показатели (прочность на разрыв и сжатие, модуль Юнга, коэф-
фициент Пуассона и т.д.) должны определяться в направлениях парал-
лельно и перпендикулярно к слоистости. В состав специальных видов
исследований на стадии детальной разведки должно включаться опреде-
ление реологических свойств пород (ползучести, длительной прочности),
гранулометрического, минерального и химического состава аргиллитов,
а также рентгеноструктурного, химического, термического и электронно-
микроскопического анализов пород.
Для прогноза водопритоков в горные выработки и решения других
прогнозных задач на месторождениях рассматриваемого типа находят
применение почти все методы (за исключением гидравлического). Час-
то применяется метод гидрогеологической аналогии, использующий
результаты обследования шахт-аналогов с учетом глубины разработки,
производительности шахты, числа одновременно разрабатываемых плас-
тов, длины выработок и т.д. На вновь осваиваемых территориях примени-
мы аналитический и балансовый методы.
Прогнозирование инженерно-геологических условий производится на
основе оценки и учета взаимодействия характерных для данного типа
месторождений природных факторов: вещественного состава и фациаль-
ных особенностей пород, строения массива, его тектонической раздроб-
ленности, трещиноватости и способности к расслоению пород и их физи-
ко-механических свойств.
При наличии большого опыта эксплуатации на всех стадиях разведки
для прогнозирования в максимальной степени должен использоваться
метод инженерно-геологических аналогий. При намечаемом подземном
способе горных работ рекомендуется применять метод многофакторного
распознавания (например, для оценки устойчивости инженерно-геологи-
ческих типов кровель). Для прогнозирования инженерно-геологических
условий отработки месторождений могут также применяться методы
моделирования, классификаций, экстраполяции и интерполяции.
Результаты отображаются на карте прогнозного инженерно-геологичес-
кого районирования (прогноза устойчивости пород) месторождения по
сложности условий отработки (открытым или подземным способом)
с выделением контуров распространения групп пород с определенными
инженерно-геологическими свойствами и прогнозом возможных инже-
нерно-геологических процессов и явлений.
147
В геологическом разрезе месторождений VI типа широко развиты
карбонатные породы большой мощности, имеющие высокую закарстован-
ность и трещиноватость. Закарстованные карбонатные породы слагают
крупные складчатые массивы, линейно-вытянутые моноклинальные
структуры, ограниченного размера мульды. Мощные слои карбонат-
ных пород могут перемежаться с другими осадочно-метаморфическими
и эффузивными породами, являющимися практически водоупорами. Раз-
витие карста в верхних частях месторождений сопровождается карстово-
эрозионными и карстово-суффозионными процессами.
Тектоническая нарушенность массива сбросами, надвигами приводит
к интенсивной трещиноватости пород. Массивы пород бывают разбиты
на блоки. Избирательное развитие карстовых процессов по напластова-
нию, наибольшей трещиноватости, зонам дробления пород вдоль разломов
обусловливает большую изменчивость закарстованности массива пород
по площади и глубине, анизотропию свойств пород по разным направле-
ниям.
Карстующиеся породы большей частью являются скальными и полу-
скальными. Они достаточно прочные и поэтому даже при сравнительно
сильной закарстованности могут быть устойчивыми в кровле и бортах
горных выработок, за исключением участков с весьма крупными карсто-
выми полостями. Важным элементом закарстованных карбонатных по-
род является заполнитель карстовых полостей, который бывает преиму-
щественно рыхлым (песчаный, пылеватый) или связным (глинистый),
неустойчивым при обнажении горными выработками. Он сравнительно
легко поддается размыву при увеличении скоростей фильтрации подзем-
ных вод и выдавливанию под воздействием больших гидростатических
напоров. Иногда заполнитель прочный (каменистый), цементирующий
закарстованные породы и способствующий их упрочению в массиве.
В закарстованных карбонатных толщах пород образуются водоносные
горизонты трещинно-карстовых вод. В наиболее закарстованной верхней
части крупных массивов карбонатных пород, которая может достигать
нескольких сотен метров, формируются бассейны трещинно-карстовых
вод. Питание подземных вод активно происходит за счет инфильтрации
осадков, паводкового стока рек. Водоносные комплексы закарстованных
пород могут отличаться большой мощностью, высокой водообильностью
и весьма изменчивыми фильтрационными свойствами в соответствии с
неравномерностью трещиноватости и закарстованности пород.
В связи с отмеченными выше основными особенностями месторожде-
ний в карстовых массивах пород при их разведке важно изучить: условия
залегания, нарушенность и границы распространения закарстованных по-
род; характер закарстованности пород, изменение ее по площади и с глу-
биной, связь с геоморфологическими и структурными элементами мас-
сива, литологией пород (с расчлененностью рельефа, перерывами в осад-
конакоплении, складчатостью, разрывной тектоникой, свойствами по-
кровных отложений); литолого-петрографические особенности карбо-
натных пород, определяющие интенсивность их растворения и позволяю-
щие выделить породы с различной способностью к карстообразованиям;
148
трещиноватость пород, ее пространственную ориентировку, тип трещин,
связь с карстообразованием, изменчивость с глубиной; развитие, состав
и свойства заполнителя карстовых полостей, связанные с ним инженерно-
геологические явления; основные закономерности изменчивости фильтра-
ционных свойств водоносного комплекса трещинно-карстовых вод во
взаимосвязи с неоднородной трещиноватостью и закарстованностью пород
различного возраста и лотологии, вдоль и вкрест напластования отложе-
ний и крупных разломов, по глубине массива, гидродинамическую зо-
нальность карстового массива, обусловленную неравномерной трещино-
ватостью и закарстованностью и затуханием их с глубиной; роль речного
стока, атмосферных осадков, таяния снега в питании подземных вод и
формировании их режима в естественных условиях и при развитии горных
работ; агрессивные свойства подземных и поверхностных вод по отноше-
нию к карбонатным породам, карбонатную емкость вод, химический сос-
тав пород и способсность их к карстообразованию; возможность разви-
тия современных карстово-суффозионных явлений в процессе эксплуата-
ции месторождения.
Большая пространственная изменчивость гидрогеологических и инже-
нерно-геологических свойств массивов закарстованных пород требует
максимального использования всех видов работ для получения массовой
информации о закарстованности карбонатных толщ и развитии карстово-
го заполнителя. Съемочные работы, наблюдения при бурении большинства
геологоразведочных скважин, исследование их каротажными методами
(включая расходометрию), полевые геофизические исследования (ВЭЗ,
электропрофилирование, гравиметрия, сейсморазведка, их комплекси-
рование) должны быть направлены, начиная с ранних стадий разведочных
работ, на выявление основных закономерностей закарстованности и из-
менчивости водопроницаемости карбонатной толщи на месторождении
и прилегающей территории, а также по глубине массива пород. С учетом
выявленных закономерностей на стадии предварительной и детальной раз-
ведок размещаются основные гидрогеологические и инженерно-геологи-
ческие скважины, опытные кусты скважин, стационарная сеть режимных
наблюдений. Вместе с тем использование геологоразведочных скважин
для получения информации о закарстованности пород сохраняет свое зна-
чение на всех стадиях разведки и позволяет получить материалы для
обработки вероятностно-статистическими методами.
В процессе комплексных съемок или обследования территории серьез-
ное внимание необходимо уделить изучению проявлений карста и связан-
ных с ним явлений на поверхности земли - развитию карстовых форм
(воронок, понор и т.п.), поглощению ими вод поверхностного стока,
вымыванию и обрушению в карстовые полости песчано-глинистого и обло-
мочного материала покровных отложений. Геоморфологические наблю-
дения должны обеспечить изучение участков развития карста (на место-
рождении в масштабе 1:5 ООО —1:10 000), морфологию карстовых форм,
связь карста с рельефом, гидрографической сетью; определение возраста
и генезиса карста. Наблюдения и картирование следует сопровождать
дешифрированием аэрофотоматериалов, морфоструктурным и геострук-
турным анализами, геофизическими работами.
149
Полевые геофизические исследования направлены в основном на опре-
деление мощности покровных отложений, выявление распространения за-
карстованной толщи пород, картирование ее кровли, установление глуби-
ны развития карста, интенсивно закарстованных зон, крупных карстовых
полостей, состава и заполнителя, водообильных зон.
Наряду с полным комплексом наблюдений, при бурении геологораз-
ведочных и других скважин следует обратить внимание на специфические
для закарстованных пород явления — резкие провалы бурового инстру-
мента и замедленное его погружение в заполнитель карстовых полостей,
полное поглощение промывочной жидкости и т.п.
По керну скважин изучаются и опробуются не только собственно кар-
бонатные породы, но и заполнитель карстовых полостей. Полевыми и
лабораторными методами изучаются его состояние (рыхлый, пластичный,
твердый), состав и свойства. Для этого отбираются соответствующие
пробы пород.
Определяются частота встречи карстовых полостей, процент общей
и открытой закарстованности пород. В этих целях может применять-
ся фотографирование стенок скважин. Разведочные или эксплуатационные
горные выработки используются для наблюдения и уточнения закономер-
ностей развития карста, выявленных по данным буровых скважин,
а также для изучения инженерно-геологических явлений, связанных с
карстом и карстовым заполнителем. Для количественных оценок разви-
тия карста следует использовать конкретные показатели (например,
площадной и линейный коэффициенты закарстованности). Первый коэф-
фициент представляет собой количество карстовых форм на единицу
площади, пораженной карстом, или отношение общей площади карстовых
полостей к площади закарстованных пород. Второй коэффициент опреде-
ляется как отношение суммарной длины интервалов каверн, полостей
к общей длине выработки (скважины).
В увязке с информацией о закарстованности массива проводятся ис-
следования водопроницаемости пород, начиная от гидрокаротажа сква-
жин до опытно-фильтрационных работ. Как показывает опыт, метод
резистивиметрии в сильно закарстованных породах может быть неэффек-
тивен. Расходометрия производится при возбуждении скважины наливом
или откачкой. Применяются пластоиспытатели. На месторождении ис-
следуется до 15—20 скважин.
На стадии предварительной разведки часть геологоразведочных сква-
жин предназначается для проведения поинтервальных нагнетаний и оди-
ночных опытных откачек. С их помощью изучается водообильность и
водопроницаемость закарстованных пород по разрезу и по площади.
Опробуется не менее 10—15 скважин. Бурятся также гидрогеологические
скважины для проведения опытных кустовых откачек на наиболее харак-
терных участках карстового массива.
Кустовые откачки целесообразно закладывать на участках с выявлен-
ным характером изменчивости фильтрационных свойств водоносных
пород. Например, на участках сравнительно однородных, с хаотической
неоднородностью, выраженной анизотропией водопроницаемости пород,
150
вытянутых зон повышенной водообильности, близ характерных гранич-
ных условий (погружение под водообильные покровные отложения,
аллювий, русло реки, контакт с породами иной проницаемости и т.п.).
Это позволит целенаправленно разместить лучи наблюдательных скважин
и обработать полученные данные по прослеживанию депрессии. Число та-
ких участков определит примерно количество кустовых откачек. Кусто-
вые откачки предназначаются для изучения водопроницаемости пород на
указанных участках и в зонах, выявления анизотропии фильтрационных
свойств, взаимосвязи карбонатных пород с некарстующимися породами
и с поверхностными водотоками и водоемами. На этом этапе должны
быть изучены фильтрационные свойства массива пород и изменение дебита
по глубине, получена информация для составления схематических карт
водопроводимости пород.
На детальной разведке проводятся в основном дополнительные кусто-
вые откачки для уточнения гидрогеологических параметров водоносных
пород на характерных участках и в зонах и групповые, позволяющие
получить усредненную характеристику закарстованных пород месторож-
дения и оценить роль граничных условий водоносного комплекса.
При этом, наряду со специальными гидрогеологическими наблюда-
тельными скважинами, в качестве наблюдательных используются и разве-
дочные. Наблюдательной сетью должна быть охвачена площадь, примерно,
в пределах радиуса депрессии, ожидаемого как при кустовых, так и осо-
бенно при групповых откачках.
Наличие на месторождении весьма водообильного водоносного гори-
зонта трещинно-карстовых вод, активной гидравлической его связи с
другими водоносными горизонтами, с рекой может потребовать проведе-
ния опытно-производственного водопонижения по специальной програм-
ме, так как осуществление опытных откачек в подобных условиях мало-
эффективно и не позволяет получить достоверную информацию для прог-
нозных расчетов водопритоков в горные выработки.
В стадию детальной разведки не теряет своего значения массовое
изучение закарстованности и водообильности пород по наблюдениям при
бурении, керну скважин, геофизическим данным, экспресс-откачкам.
Получаемая при этом информация подвергается статистической обра-
ботке.
Придавая большое значение изучению закарстованности пород и за-
полнителя карстовых полостей, не должно быть упущено исследование
собственно карбонатных и имеющихся на месторождении других пород,
включая изучение их состояния в массиве и физико-механических
свойств. Для этого на стадии предварительной разведки используются
геологоразведочные и гидрогеологические скважины из расчета примерно
нескольких скважин на каждом втором—третьем разведочном профиле.
На стадии детальной разведки бурятся также инженерно-геологические
скважины. Они располагаются из расчета получения характеристики
массива пород вне участков размещения указанных выше геологоразве-
дочных скважин, изучения покровных отложений, пробуренных ранее
в основном без керна и т.п. При выборе плотности сети в целом для
151
инженерно-геологического изучения месторождения следует исходить из
густоты расположения геологоразведочных скважин с разрежением ее
в 3—4 раза. Проводя лабораторные определения свойств карбонатных
пород, следует обращать внимание на набухаемость, размокаемость, водо-
стойкость пород.
Прогнозная оценка инженерно-геологических условий эксплуатации
месторождения выполняется на основе расчленения карбонатного мас-
сива пород на участки, различные по составу пород (соотношению карбо-
натной и терригенной частей породы), структурно-текстурным особен-
ностям, вторичным изменениям (доломитизации, окремнению, перекрис-
таллизации) , степени трещиноватости и закарстованности, развитию
крупных закарстованных зон, типу заполнителя полостей, потенциальной
устойчивости пород в горных выработках, возможным инженерно-гео-
логическим явлениям, обусловленным закарстованностью пород, свой-
ствами заполнителя и другими факторами.
На месторождениях в карстовых массивах важное значение приобрета-
ют режимные наблюдения, так как подземные воды активно реагируют
на атмосферные осадки и режим речного стока. Для наблюдения на место-
рождении создается режимная сеть скважин, которые располагаются
вдоль и поперек структур закарстованных пород, перпендикулярно и
параллельно руслам рек и наиболее крупным линейным карстовым зо-
нам. При этом используется большая часть гидрогеологических скважин,
пробуренных, как указывалось выше, на основных характерных участках
месторождения и района.
Организуются метеорологические наблюдения и гидрометрические
посты на реках для изучения гидрологического режима и выявления раз-
ницы расхода рек на отдельных створах. Это требуется для водобалансовых
расчетов, оценки питания и разгрузки карстовых вод. Для изучения путей
движения подземных вод, мест поглощения речного стока, выклинивания
подземного фильтрационного потока, определения времени водообмена
в бассейне трещинно-карстовых вод применяются индикаторные и изо-
топные исследования.
Прогнозы водопритоков в горные выработки могут производиться
балансовым методом, что наиболее применимо для замкнутых карсто-
вых структур, и методом аналогии. При использовании метода аналогий
важно установить подобие геолого-структурных особенностей, контроли-
рующих развитие карста, условий питания подземных вод, изменения
проницаемости пород с глубиной. Может применяться аналитический ме-
тод, если фильтрационная неоднородность пород и граничные условия
водоносного комплекса можно схематизировать с допустимой степенью
приближения до имеющихся расчетных схем. На основе данных групповой
откачки и тем более опытно-производственного водопонижения применим
гидравлический метод.
Эффективно применение моделирования, начиная со стадии предвари-
тельной разведки. Это целесообразно делать с целью выполнения не толь-
ко прогнозов водопритоков и воронки депрессии, но и обоснования мето-
дики и объемов работ при детальной разведке путем предварительного
152
исследования природных Особенностей месторождения и основных факто-
ров, определяющих формирование водопритоков в горные выработки.
Применяются также вероятностно-статистические методы прогнозов,
включая их комплексирование с моделированием.
Г лава 8
ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ, СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
И ОПРЕДЕЛЕНИЕ СМЕТНОЙ СТОИМОСТИ
ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ И ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ РАБОТ
Обработку и анализ получаемой информации необходимо начинать уже
в процессе проведения полевых и лабораторных работ. Текущая предвари-
тельная обработка материалов в ходе работ — это важная составная часть
их выполнения. Она должна использоваться для контроля представитель-
ности и качества проводимых исследований и наблюдений, а также для
корректирования различных видов работ на основе полученной информа-
ции, уточняющей первоначальные представления о природных условиях
изучаемого месторождения. При проведении комплексных съемок и в
процессе окончательной обработки материалов на используемую карто-
графическую основу наносятся как результаты маршрутных наблюдений,
так и данные буровых, опытно-фильтрационных работ и режимных наблю-
дений, по ним составляются соответствующие карты и разрезы.
В процессе буровых работ строятся колонки скважин с отражением
геологических, гидрогеологических и инженерно-геологических данных
и данных каротажных работ; строятся разрезы.
По результатам гидрогеологического картирования разведочных гор-
ных выработок составляются схемы-развертки горных выработок с на-
несением результатов документации, строятся графики водопритоков в
горные выработки в целом и по характерным их участкам. Они совмеща-
ются с графиком проходки выработки.
Во время опытно-фильтрационных работ строятся графики изменения
расхода и уровня во времени и графики зависимости понижения от лога-
рифма времени, по которым определяется целесообразный момент окон-
чания откачки. Производится также предварительная обработка резуль-
татов проведенных опытов и определение гидрогеологических пара-
метров.
По мере накопления данных режимных наблюдений по каждой сква-
жине рисуются графики изменения уровня и температуры во времени, по
гидропостам на реках — годографы и гидрографы.
Материалы обследования эксплуатируемых горных выработок отража-
ются на планах обводненности отдельных горизонтов и горного предприя-
тия в целом. На них показываются все виды водопроявлений, пути движе-
ния воды по горным выработкам, водосборники с указанием расходов,
насосные станции. Составляются графики водопритоков во времени в
153
увязке с темпами проходки и отработки горных выработок в прошедший
период (по фондовым материалам).
Обработка полевой инженерно-геологической документации керна
заключается в построении инженерно-геологических колонок по скважи-
нам с нанесением литологического состава пород, выхода керна, точек
опробования, состояния раздробленности пород, дополняемые затем дан-
ными лабораторных определений свойств и геофизическими характеристи-
ками (рис. 5).
Результаты инженерно-геологического обследования и документации
горных выработок отражаются на погоризонтных и сводных планах с
указанием геолого-тектонической обстановки, трещиноватости, ослаб-
ленных зон, инженерно-геологических явлений, данных определения фи-
зико-механических свойств пород и руд.
Обработка материалов по трещиноватости включает построение диа-
грамм трещиноватости [27], необходимо обращать внимание на выделе-
ние систем сопряженных сколовых трещин, пересекающихся, как пра-
вило, под углом, близким к 45°. По пространственной ориентировке
этих трещин можно восстанавливать направление осей напряжений, выз-
вавших их появление Карты трещиноватости пород строятся с учетом
симметрии подобия структур, путем оконтуривания участков с равным
модулем трещиноватости, определенным по каждой изученной скважине.
Результаты определения физико-механических свойств пород по ос-
новным генетическим и литологическим разностям подвергаются статис-
тической обработке для получения обобщенных показателей. По резуль-
татам определений прочностных свойств пород строятся паспорта прочнос-
ти с указанием угла внутреннего трения и коэффициента сцепления
[40, 43].
По результатам микроскопического изучения пород строятся графики
и диаграммы, отражающие зависимость показателей свойств пород от
преобладающего размера зерен, количества обломочной примеси, мине-
рального состава и количественных соотношений главных компонентов
породы, степени и характера вторичных преобразований.
После статистической обработки даются рекомендации по величинам
расчетных показателей физико-механических свойств для основных
типов пород. Высокий коэффициент вариации показателей свойств (более
25—30 %) может свидетельствовать о значительной неоднородности вы-
деленных типов пород и необходимости их дополнительного подразде-
ления [43].
Корреляционные связи как между отдельными свойствами пород, так
и между свойствами и их петрографическими характеристиками исследу-
ются методами парной или множественной корреляции. Полученные урав-
нения регрессии используются для прогнозирования инженерно-геологи-
ческих свойств пород по площади и по глубине их залегания.
Анализ результатов изучения пород позволяет проводить расчленение
разреза на инженерно-геологические группы (классы) пород, характеризу-
ющиеся различной степенью устойчивости в горных выработках (табл. 4).
Это расчленение используется при построении инженерно-геологических
карт и разрезов, районировании месторождений.
154
Шкала глубин	Геологический индекс	Глубина, м	Мощность, м	Геологическая колонка	Описание пород	1 Место взятия 1 	проб	Выход керна (8К), % 204060 80 tilt	Модуль трещинова- тости (МТ), тр/м 510 15 20> i i i i	Показатель состояния пород (RQD), % 2040 6080 I I I I	Модуль кускова- тости (МК)рш\61м 5 10 1520> i ll ।		Диаграмма гамма - гамма каротажа, 10-5 имп/мин 1,28	3,14	6,4 i	i ।	।	।	।	Прочност- ные св-ва пород gc>K мп G-p >МПа	Класс устой- чивости пород
~340 ~ 380 -420 -460 -500 -540 -580 -620 -660 - 700 ~ 740 - 780 -820 -860 -900 -940 -980 -1020	D2go	343,0			Ствол скважины	□							166 24 137 15 179 20 да <72 12	I
		405,0	62,0	4Го 4Го	Кварцевые альбитофиры грубосланцеватые, брекчи- рованные с ксенолитами лав, превращенных в пирит-серицит-кварцевые сланцы									
				, •> 1 5 5										и п
				•Но "Но			g							1
		604,2	194,2	Г \° г до	f										
										I	а				i П ш
				Ио 4Го Но ? •> 5 •Но *о •Но										
		642,4 696,0	38,0 53,6		Туры кислого состава грубо- сланцеватые с прослоями альби- тофиров, туфопесчаников					г1				
														я HL 15Г
				-Но *2	 •Но -Го	Лабы альбитоширов сразлич- нои степенью окварцевания	□ □ □								
	D2ef	749,1	53,1	•Но -Но	Кварцевые альбитофиры грубосланцеватые, окбарцован- ные и серицитизированные									
		796,4	49,3		Эфрузивно-пирокластическая пачка с зонами дробления и кварцевой жилой										Ш
														JU
		650,0	51,6	А » А	Осадочно- вулканогенная пачка с зонами дробления									
				тг-_—г										
								Г		1				Я
		901,0	51,0	э э э э э	Полиметаллическая руда в перлитовых лавах									
														
		929,7	28,7		Неравномерное чередование перлитовых лао и сфероид- ных кварцевых порсриров с брекчированием и прокварцеванием в отдельных интервалах	□ □ □								та.
														Я I
		952,0	22,0	А А А				L					1й 137 Л 138 15	
		1034,0 —4—	82,0 —Z—	lit i'i'i										
				ЛЯ											Л
i-гео логический разрез по скважине
Таблица 4
Характеристика классов устойчивости пород в горных выработках
Классы устойчи- вости пород	Выход кер- на, %	Модуль трещинова- тости, тр/м	Модуль кускова- тости, ст/м	RQD, %	Интенсив- ность слан- цеватости пород	Прочност- ные свой- ства Ост, МПа	Инженерно-геологические условия в горных выработках
1 -устой- чивые	>80	<3	<5	>40	Слабая	140-110	Выработки проходятся без крепления, ус- тойчивость пород сохранится в течение дли- тельного срока
11 — средней устойчивос- ти	40-80	3-7	5-10	20-40	Средняя	110-90	Выработки Проходятся без крепления, мо- гут происходить отдельные вывалы по слан- цеватости, в зонах тектонических наруше- ний
1II — низкой устойчивос- ти	40-80	7-15	10-15	5-20	Высокая	90-60	Породы в среднем устойчивые; в выработ- ках будут отмечаться обрушения, вывалы по плоскостям сланцеватости, трещин; в соответствующих интервалах потребуется крепление выработок
IV — неус- тойчивые	<40	>15	>15	<5		60-20	Породы неустойчивы, интенсивно раздроб- лены, перемяты — в выработках будут происходить частые обрушения, вывалы; требуется сплошное крепление, иногда опе- режающее проходку
Для прогнозирования устойчивости пород ненарушенных платформен
ных массивов можно использовать способ, предложенный А.В. Тру-
шиным, основанный на использовании интеграла вероятности Лапласа
и специально составленной номограммы (рис. 6) :
V =
е 2 dr = 0,5 — Ф (Д),
где Ф (Д) — интеграл вероятности Лапласа; Д — характеристика достовер-
ности различия между напряжениями и пределом прочности пород.
Полученные инженерно-геологические (литолого-прочностные) карты
и разрезы с контурами распространения пород различных групп являются
основой для прогнозного районирования территории по сложности ин-
женерно-геологических условий отработки месторождения (рис. 7, 8, 9).
По ним оцениваются размещение толщ с различными инженерно-геологи-
ческими свойствами и потенциальная устойчивость пород в горных вы-
работках.
Для обработки инженерно-геологической информации наиболее широ-
ко используются математические методы и ЭВМ. Основными направления-
ми, в которых находят применение эти методы, являются:
1)	механизация (автоматизация) инженерных расчетов. Наиболее
эффективно применение программ и алгоритмов, реализующих полный
цикл операций от вычислений, первичной обработки до составления ито-
гового документа. В качестве образца такого подхода предлагается разра-
ботанный во ВСЕГИНГЕО пакет специальных программ „ОДФИС" ЕС
ЭВМ для обработки результатов испытаний образцов горных пород по
полному комплексу;
2)	автоматизация массовых расчетов (поинтервальных коэффициен-
тов) , которые проводятся при построении инженерно-геологических
колонок;
3)	хранение и поиск информации с помощью ЭВМ. Осуществляется
методом создания автоматизированных информационно-поисковых сис-
тем (АИПС). В геологии наиболее широкое применение получили системы
„ОКА" и „БАНК";
4)	концентрация, свертывание и отражение информации. Осуществля-
ется наиболее эффективно при наличии АБД или АИПС. В этом случае
создается автоматизированная система обработки данных (АСОД);
5)	анализ информации и ее обработка. Осуществляется по програм-
мам, входящим в состав общего математического обеспечения. Наиболее
популярна методы статистики, факторного анализа, методы распозна-
вания образов;
6)	принятие и оценка решений с помощью ЭВМ. Осуществляется в
процессе моделирования инженерно-геологических условий месторож-
дений.
В гидрогеологических целях ЭВМ применяются все в большей мере
для моделирования геофильтрации (от отдельных фрагментов до круп-
ных регионов).
157
з EXP
рис. 6. Номограмма вероятностей потери устойчивости незакрепленных горных
выработок в зависимости от прочности пород Осж (в 10 Па) и модуля трещино-
ватости МТ (тр/м). По А. В. Трушину.
Вероятность потери устойчивости: 1 — 0,75—1,0; 2 — 0,5—0,75; 3 — 0,25—0,50; 4 —
0,01—0,25; 5 — меньше 0,01.
Результаты гидрогеологических и инженерно-геологических работ
излагаются в соответствующих главах общего отчета о геологоразведоч-
ных работах. При большом объеме гидрогеологических и инженерно-
геологических работ, выполненных на месторождении со сложными при-
родными условиями, результаты работ освещаются в отдельном томе
(томах). Общие требования к содержанию отчетных материалов опреде-
лены инструкцией ГКЗ СССР [19].
Рис. 7. Прогнозная литолого-прочностная карта непосредственной кровли угольного
пласта.
1 — скважина и ее номер, в числителе мощность непосредственной кровли (в м),
в знаменателе — показатель прочности при сжатии (в 105 Па), у скв,78 мощность
ложной кровли равна 0,4 м; 2 — тектонические нарушения: установленные (а) и
предполагаемые (б); 3 — участки развития ложной кровли; 4 — изолинии мощности
непосредственной кровли угольного пласта, м; 5 — выход угольного пласта на по-
верхность; 6 — границы фациальных типов пород; 7 — алевролиты; 8 — песчаники
мелкозернистые; 9 — песчаники среднезернистые; бассейновые фации: 10— откры-
той части, 11 — малоподвижного мелководья, 72 — подвижного мелководья; пере-
ходные фации: 13 — подводного выноса рек; континентальные фации: 74 — болот;
прочность пород при сжатии (в 105 Па) : 15 — 700—800, 16 — 800—1100, 17 — 1100—
1300, 18 — 1300-1600
159
ЕЗ' ЕЗ* ЕЗ4 ЕЗк
Ек И7 И5 Ek Ек
1111 к Шк I о \к |^-^|/4
Рис. 8. Карта инженерно-геологического районирования месторождения.
7 — алевролиты; 2 — переслаивание алевролитов и песчаников; 3 — туфы кислого
состава; 4 — кварцевые порфиры и их туфы; 5 — диабазы и диабазовые порфириты;
6 — руда; 7 — зоны дробления и брекчирования; 8 — стратиграфические и литологи-
ческие границы; 9 — границы классов устойчивости пород; 10 — 12 — классы устой-
чивости пород {10.— среднеустойчивые, II класс, 7 7— низкой устойчивости,
III класс, 12 — неустойчивые, IV класс); 13 — скважина; 14 — граница зоны выветри-
вания
Рис. 9. Инженерно-геологический разрез месторождения.
Условные обозначения см. к рис. 8
11—5190
Текст отчета. Текстовая часть отчета должна в краткой форме осве-
щать:
характерные черты релеьфа, гидрографии, климата, гидрологического
режима рек и озер;
геологическое строение и тектонику района и месторождения;
гидрогеологическую и инженерно-геологическую изученность района
и месторождения;
виды, методы и объемы выполненных гидрогеологических и инженер-
но-геологических работ. Использование геофизических и других видов
исследований. Принципы размещения точек опробования массивов гор-
ных пород и вод;
гидрогеологические и инженерно-геологические условия района. Важ-
но отразить особенности распространения и закономерности изменения
основных гидрогеологических параметров водоносных горизонтов на ис-
следованной площади, условия питания и дренирования подземных вод,
основных литолого-петрографических типов пород, их состояния и физи-
ко-механических свойств;
гидрогеологические условия месторождения первоочередных участков
разработки. Полная характеристика водоносных горизонтов. Изменчи-
вость мощности, литологии, фильтрационных свойств пород в плане и в
разрезе, развитие слабопроницаемых разделяющих слоев, условия взаимо-
связи горизонтов между собой и с поверхностными водами, положение
уровней и величины напоров подземных вод, режим уровней подземных
вод по сезонам года и в многолетнем разрезе, химический, микроком-
понентный и газовый состав подземных и поверхностных вод, оценка при-
годности вод для вобоснабжения и других целей, агрессивные свойства
вод;
инженерно-геологические свойства пород месторождения, первооче-
редных участков разработки. Характеристика физико-механических
свойств и пространственная изменчивость их основных стратиграфичес-
ких горизонтов и петрографических типов пород, описание их трещино-
ватости, способности к расслоению, распадению на отдельные куски.
Выделяются свойства водоносных пород и основных водоупорных слоев.
Соображения о возможном изменении свойств пород при осушении и
вскрытии месторождения карьером или подземными горными выработ-
ками. Рекомендации по величинам расчетных показателей прочностных
свойств для каждого из выделенных стратиграфо-петрографических
горизонтов разреза месторождения;
характеристику горно-эксплуатационных работ, если они проводятся
на месторождении или в его районе. Возникающие при горных работах
гидрогеологические и инженерно-геологические осложнения;
характеристику фактических водопритоков в разведочные горные
выработки и в эксплуатируемые шахты (карьеры) -аналоги, применяемые
на них мероприятия по борьбе с подземными водами и деформациями
пород;
методику расчетов прогнозных водопритоков в горные выработки,
обоснование основных исходных данных для расчетов. Если применялся
162
метод моделирования, то излагается обоснование расчетной схемы моде-
ли, особенности моделирования и полученные результаты по определнию
основных гидрогеологических параметров и прогнозных решений;
расчет прогнозных водопритоков в рудник, карьер или к шахтному
полю;
прогноз развития депрессионной воронки вокруг месторождения и
возможных изменений гидрогеологических условий района;
рекомендуемые мероприятия по борьбе с водопритоками в горные
выработки и по осушению месторождения, рекомендации по использова-
нию шахтных (рудничных) и дренажных вод;
обоснование источников для питьевого и технического водоснаб-
жения;
инженерно-геологический прогноз условий разработки месторожде-
ния. Инженерно-геологическое районирование территории по сложности
условий отработки месторождения; прогноз инженерно-геологических
явлений и процессов, которые могут возникнуть при вскрытии и эксплу-
атации месторождений;
инженерно-геологическое обоснование необходимости проведения осу-
шительных мероприятий на месторождении, снижения напоров различных
водоносных горизонтов или других мероприятий по повышению устойчи-
вости пород в горных выработках и по предотвращению негативных инже-
нерно-геологических явлений;
рекомендации по выбору методов расчета устойчивости бортов карье-
ров и подземных горных выработок, наиболее соответствующих природ-
ным условиям месторождения;
соображения о возможных изменениях в природной, инженерно-
геологической обстановке под влиянием освоения месторождения и
необходимости осуществления охранных мер;
общую характеристику инженерно-геологических условий строительст-
ва на поверхности (надшахтных сооружений и пр.) ;
обоснование дополнительных исследований по целевым программам
(при необходимости) в целях разработки природоохранных и других
мероприятий;
рекомендации по составу гидрогеологических и инженерно-геологи-
ческих наблюдений в процессе строительства и эксплуатации рудников,
шахт и карьеров;
рекомендации по охране окружающей среды и водозаборов хозяйст-
венно-питьевого водоснабжения от воздействий горных разработок, осу-
шения месторождения, сброса шахтных и рудничных вод, сооружения
прудов-накопителей, шламохранилищ.
Табличные приложения. Эти приложения систематизируют фактичес-
кие данные, полученные в процессе всех видов работ и отработки их
результатов, с привязкой в плане и в разрезе и ко времени наблюдений.
Гоафические материалы должны содержать:
гидрогеологическую карту района (масштаб 1:50 000 — 1:200 000)
для обоснования типа граничных условий в плане с характерными разре-
зами, проходящими через месторождения полезного ископаемого, наибо-
лее крупные водотоки, разломы и т.п.;
163
гидрогеологическую карту месторождения (масштаб 1:5 000 -
1:50 000), с ней может быть совмещена карта фактических гидрогеологи-
ческих материалов;
карты удельных дебитов или водопроводимостей основных водонос-
ных горизонтов, определяющих обводненность месторождения;
гидрогеологические разрезы месторождения, совмещенные, по воз-
можности, с геологическими разрезами по разведочным профилям;
листы откачек (нагнетаний) с нанесением на них: схем опытных
кустов, гидрогеологических разрезов по лучам наблюдательных скважин,
графиков изменения дебитов с выделением всех перерывов в откачках,
снижения и восстановления уровней в опытных и наблюдательных скважи-
нах, полулогарифмических графиков прослеживания по данным пониже-
ния и восстановления уровней (временного, площадного и комбинирован-
ного), геолого-технического разреза центральной скважины, таблиц с
основными результатами расчетов гидрогеологических параметров; дан-
ных об изменении химического и газового состава воды и ее темпера-
туры;
графики водопритоков в эксплуатируемые и разведочные горные вы-
работки и суммарных водопритоков по карьерам, в шахты и рудники,
осушительные системы;
графики изменения минерализации и химического состава воды по
горным выработкам;
графики режима подземных и поверхностных вод по скважинам,
родникам, гидропостам и другим водопунктам;
графики, отражающие результаты гидрологических работ. Поперечные
профили через долины рек и водоемов с нанесением на них уровней
1, 50 и 95 %-ной обеспеченности, кривые зависимости расходов
и уровней, временные графики расходов и уровней;
графики данных метеорологических наблюдений;
карты, планы, разрезы и графики, отражающие результаты гидрогеоло-
го-геофизических исследований, сводный фильтрационный разрез по ре-
зультатам резистивиметрии и расходометрии с показом наиболее водо-
обильных зон;
материалы моделирования: расчетная схема модели, совмещенная
со схемой гидрогеологических условий района, карты фильтрационных
параметров водоносных горизонтов и разделяющих слабопроницаемых
слоев; карты и графики задания начальных и граничных условий; карты
гидрогеологических параметров, полученные в результате моделирова-
ния; совмещенные карты фактических и полученных в результате реше-
ния обратных задач гидроизопьез или понижений уровня; совмещенные
графики фактического и моделируемого хода снижения уровня; карты
прогнозных понижений уровней;
инженерно-геологические колонки скважин (см. рис. 5);
инженерно-геологические разрезы (продольные и поперечные) по ха-
рактерным участкам месторождения;
инженерно-геологическая документация подземных горных вырабо-
ток и карьеров-аналогов;
164
Рис. 10. Инженерно-геологический план горизонта горных работ.
К2 — докембрийские отложения, криворожская серия, средняя (железорудная) свита; в верхнем индексе даны горизонты: 4ж — 4-й
железистый (роговики с прослойками сланцев), 5с — 5-й сланцевый (роговики), 5ж— 5-й железистый (джеспилиты, роговики, руды),
6с — 6-й сланцевый (роговики), 6ж— 6-й железистый (роговики, джеспилиты, руды); 1 — контакты пород; 2 — тектонические наруше-
ния; 3 — рудные залежи; тектонические трещины: 4 — залеченные, 5 — выполненные брекчией, 6 — с плотным примыканием стенок;
7—9 — классы пород (7 — устойчивые I класс, 8 — среднеустойчивые, II класс, 9 — низкой устойчивости, III класс, 10 — границы классов
устойчивости пород; 11 — горные выработки; инженерно-геологические явления: 12 — обрушения по плоскостям наслоения, 13 —
обрушения на пересечении плоскостей наслоения, сланцеватости и тектонических трещин, 14 — обрушения, вывалы, вынос обводнен-
ного рыхлого материала, в том, числе рудного
карты изомощности рыхлых отложений или вскрышных пород (при
открытом способе горных работ);
инженернотеологические карты (литолого-прочностные, трещинова-
тости, расслоения на угольных месторождениях — для кровли и почвы
основных рабочих пластов, на рудных - карты-срезы на различных гори-
зонтах с контурами распространения пород с определенными инженерно-
геологическими свойствами) (рис. 10; см. рис. 7);
паспорта прочности пород;
различные графики, гистограммы, диаграммы (изменения физико-
механических свойств, трещиноватости пород и др.);
результирующая прогнозная карта инженерно-геологических условий
месторождений (карта прогнозного инженерно-геологического райониро-
вания) для целей отработки его открытым или подземным способами;
инженерно-геологическая карта условий наземного строительства
(составляется для месторождений в ранее неизученных районах).
Сметная стоимость геологоразведочных работ определяется по дейст-
вующим нормативным документам [46]. Сметная стоимость проведения
инженерно-геологической документации керна пород скважин и горно-
разведочных выработок определяется по дополнению к СУСН, разработан-
ному ВСЕГИНГЕО,астоимость работ пр определению ряда физико-механи-
ческих свойств грунтов и горных пород рассчитывается по разработанным
во ВСЕГИНГЕО временным укрупненным нормативам на работы, не
предусмотренные СУСНом [7].
По видам работ, на которые отсутствуют нормативные документы
(обследование и выборочное картирование горных выработок на эксплу-
атируемых месторождениях-аналогах; изучение физико-механических
свойств пород микропенетрометрами и др), сметная стоимость определя-
ется путем составления сметно-финансовых расчетов с использованием
единых, типовых и местных норм времени (выработки), при отсутствии
последних - соответствующих действующих нормативов и расценок
других министерств и ведомств.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.	Абрамов С.К., Газизов М.С., Костенко В.И. Защита карьеров от воды. М.,
Недра, 1976.
2.	Ардашев К.А., Ахматов В.И., Катков Г.А. Методы и приборы для исследо-
вания проявлений горного давления. М., Недра, 1981.
3.	Бондарик Г.К. Основы теории изменчивости инженерно-геологических
свойств горных пород. М., Недра, 1971.
4.	Боревский Б.В., Самсонов Б.Г., Язвин Л.С. Определение гидрогеологичес-
ких параметров по данным откачек, М., Недра, 1973.
5.	Бочевер Ф.М., Лапшин Н.Н., Орадовская А.Е. Защита подземных вод от за-
грязнения. М., Недра, 1979.
6.	Временные указания по охране окружающей природной среды при проведе-
нии гидрогеологических и инженерно-геологических работ. М., ВСЕГИНГЕО, 1982.
7.	Временные укрупненные нормативы на гидрогеологические и инженерно-
геологические работы, не предусмотренные СУСН. М., ВСЕГИНГЕО, 1979.
8.	Гавич И.К. Теория и практика применения моделирования в гидрогеологии.
М., Недра, 1980.
9.	Гайдин А.М., Певзнер М.Е., Смирнов Б.В. Прогнозная оценка инженерно-
геологических условий разработки месторождений полезных ископаемых. М., Недра,
1983.
10.	Гершанович И.М. Гидрогеологические исследования в скважинах методом
расходометрии. М., Недра, 1981.
11.	Гидрогеологические исследования в горном деле/Под ред. В.А. Мироненко.
М., Недра, 1976.
12.	Гидрогеологические исследования для захоронения промышленных сточных
вод в глубокие водоносные горизонты (методические указания)/Под ред. К.И. Ан-
тоненко, Е.Г. Чаповского. М., Недра, 1976.
13.	Глушко В.Т., Чередниченко В.П., Усатенко Б.С. Реология горного массива.
Киев, Наукова думка, 1981.
14.	Гольдберг В.М., Газда С. Гидрогеологические основы охраны подземных
вод от загрязнения. М., Недра, 1984.
15.	Гречищев СЕ., Чистотинов Л.В., Шур Ю.Л. Криогенные физико-геологи-
ческие процессы и их прогноз. М., Недра, 1980.
16.	Изыскания и оценка запасов промышленных подземных вод/С.С. Бондарен-
ко, Л.В. Боревский, Н.В. Ефремочкин и др. М., Недра, 1971.
17.	Инженерно-геол оги чес кие исследования при разведке месторождений полез-
ных ископаемых/Г.А. Голодковская, Л.М. Демидюк, Л.В. Шаумян и др., М., Изд-во
МГУ, 1975.
18.	Инструкция и методические рекомендации по изучению инженерно-геологи-
ческих свойств боковых пород и прогнозу их устойчивости на угольных месторож-
дениях. М., ВСЕГИНГЕО, 1982.
19.	Инструкция о содержании, оформлении и порядке представления в Государ-
ственную комиссию по запасам полезных ископаемых при Совете Министров СССР
и территориальные комиссии по запасам полезных ископаемых материалов по под-
счету запасов металлических и неметаллических полезных ископаемых. М., Недра,
1984.
20.	Инструкция по изучению инженерно-геологических условий месторождений
твердных полезных ископаемых при их разведке /Г.Г. Скворцов, Н.Г. Бобов,
А.К. Кориковская, М., Недра, 1975.
21.	Классификация запасов месторождений и прогнозных ресурсов твердых
полезных ископаемых. — Разведка и охрана недр, 1982, № 4, с. 40—48.
22.	Ломтадзе В.Д. Инженерная геология. Инженерная петрология. М., Недра,
1984.
167
23.	Ломтадзе В.Д. Методы лабораторных исследований физико-механических
свойств горных пород. Л., Недра, 1972.
24.	Методика отбора проб и определения физико-механических свойств горных
пород/Н.П. Мохначев и др. М., ИГД им. А.А. Скочинского АН СССР, 1984, 73 с,
25. Методические рекомендации по изучению гидрогеологических условий
месторождений твердых полезных ископаемых с помощью испытательных инстру-
ментов/М.И. Фазлуллин, В.И. Селиховкин. М., ВСЕГИНГЕО, 1984.
26.	Методическое пособие по инженерно-геологическому изучению горных
пород/Под ред. Е.М. Сергеева. Т.1 и 2. М., Недра, 1984.
27.	Методическое руководство по изучению инженерно-геологических условий
рудных месторождений при их разведке. М., Недра, 1977.
28.	Методическое руководство по инженерно-геокриологическим и гидрогео-
логическим работам при разведке рудных месторождений на Крайнем Севере/
П.Ф. Швецов, Н.Г. Бобов, Л.Н. Крицук и др. М., Недра, 1972.
29.	Методическое руководство по разведке и оценке эксплуатационных запасов
подземных вод для водоснабжения/Л.С. Язвин и др. М., ВСЕГИНГЕО, 1979.
30.	Методы геофизики в гидрогеологии и инженерной геологии (методическое
руководство). М., Недра, 1972.
31.	Мироненко В.А., Румынии В,Г., Учаев В.К. Охрана подземных вод в горно-
добывающих районах. Л., Недра, 1980.
32.	Мироненко В.А., Шестаков В.М. Основы гидро гео механики. М„ Недра 1974.
33.	Мироненко В.А., Шестаков В.М. Теория и методы интерпретации опытно-
фильтрационных работ. М., Недра, 1978.
34.	Оценка изменений гидрогеологических условий под влиянием производст-
венной деятельности/Под ред. В.М. Фомина. М., Недра, 1978.
35.	Панюков П.Н. Инженерная геология. М., Недра, 1978.
36.	Плотников Н.И. Краевский С Гидрогеологические аспекты охраны окружа-
ющей среды. М., Недра, 1983.
37.	Положение об охране подземных вод. М., ВСЕГИНГЕО, 1984.
38.	Правила Охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами.
Минводхоз СССР, Минздрав СССР, Минрыбхоз СССР, М., 1975.
39.	Прогноз водопритоков в горные выработки и водозаборы подземных вод
в трещиноватых и закарстованных породах. М., Недра, 1972.
40.	Прочность и деформируемость горных пород/Ю.М. Карташов, Б.В. Матвеев,
Г.В. Михеев и др. М., Недра, 1979.
41.	Радиоизотопные методы в инженерной геологии и г дрогеологии/В.И. Фер-
ронский, А.И. Данилин, В.Т. Дубинчук и др. М., Недра, 1977.
42.	Руководство по геолого-геофизической методике изучения физико-механи-
ческих свойств угленосных пород в разрезах скважин/В.В. Гречухин, Н.А, Климов,
В.Г. Бакланов и др. М., ВНИИ Геофизика, 1981.
43.	Справочник по инженерной геологии/Под ред. М.В. Чуринова. М., Недра,
1981.
44.	Справочник по осушению горных пород/Под ред. И.К. Станченко. М„ Недра,
1984.
45.	Справочное руководство гидрогеолога. Т.1 и 2/Под ред. В.М. Максимова.
Л., Недра, 1979.
46.	Справочник укрупненных сметных норм на геологоразведочные работы.
СУСН. Вып. 1—8. М., Недра, 1984.
47.	Требования к определению механических свойств горных пород при геоло-
гическом изучении полей шахт Министерства угольной промышленности СССР.
Л., ВНИМИ, 1977.
48.	Турчанинов И.А., Иодис М.А., Каспарьян Э.В. Основы механики горных
пород. Л., Недра, 1977.
49.	Фролов Н.М. Гидрогеотермия. М., Недра, 1976.
50.	Швецов П.Ф., Бобов Н.Г. Основы методики инженерно-геокриологических
прогнозов при разведке месторождений твердых полезных ископаемых. М., Недра,
1973.
168
Приложение 1
Таблица функции G при аргументе f
f	G	f	G	f	G	f	G
ю4	0,196	10!	0,161	106	0,136	107	0,118
2	0,184	2	0,152	2	0,130	2	0,113
3	0,178	3	0,148	3	0,127	3	0,111
5	0,170	5	0,143	5	0,123	5	0,108
7	0,165	7	0,139	7	0,120	7	0,106
9 _	0,162	9	0,137	9 1А	0,118	9	0,104
10е	0,104	10*	0,093		Ю10	0,084	1011	0,076
2	0,100	2	0,090	2	0,081	2	0,074
3'	0,098	3	0,088	3	0,080	3	0,073
5	0,096	5	0,086	5	0,079	5	0,072
7	0,094	7	0,085	7	0,077	7	0,071
9 *	0,093	9	0,84	9 ,	0,077	9	0,071
10~4	56,9	10‘	‘3	18,34	10" 2	6,13	10"1	2,249
2	40,4	2	13,11	2	4,47	2	1,716
3	33,1	3	10,79	3	3,74	3	1,477
4	28,7	4	9,41	4	3,30	4	1,323
5	25,7	5	8,47	5	3,0	5	1,234
6	23,5	6	7,77	6	2,78	6	1,160
7	21,8	7	7,20	7	2,60	7	1,103
8	20,4	8	6,79	8	2,46	8	1,057
9	19,8	9	6,43		2,35	9 ,	1,018
1	0,985	10	0,534	102	0,346	103	0,251
2	0,803	2	0,461	2	0,311	2	0,232
3	0,179	3	0,427	3	0,294	3	0,222
4	0,668	4	0,405	4	0,283	4	0,215
5	0,630	5	0,385	5	0,274	5	0,210
6	0,602	6	0,297	6	0,268	6	0,206
7	0,580	7	0,367	7	0,263	7	0,203
8	0,562	8	0,359	8	0,258	8	0,200
9	0,547	9	0,352	9	0,254	9	0,198
Приложение 2
Таблица функции — Ej( - г)
Z		Z		Z	
0	_ ©о	0,35	0,794	1,2	0,158
0,01	4,038	0,4	0,702	1,3	0,136
0,02	3,355	0,45	0,625	1,4	0,116
0,03	2,959	0,5	0,560	1,5	0,1
0,04	2,681	0,55	0,503	1,6	0,0863
0,05	2,468	0,6	0,454	1,7	0,0746
0,06	2,295	0,65	0,411	1,8	0,0647
0,07	2,151	0,7	0,374	1,9	0,0562
0,08	2,027	0,75	0,340	2,0	0,0489
0,09	1,919	0,8	0,311	2,5	0,0249
0,1	1,823	0,85	0,284	3,0	0,013
169
Продолжение л рил. 2
Z	z)	z	-£/(-z)	z	-£z(-z)
0,15	1,464	0,9	0,260	3,5	0,00697
0,2	1,223	0,95	0,239	4,0	0,00378
0,25	1,044	1,00	0,219	5,0	0,00115
0,3	0,906	1,1	0,186		
Приложение 3
Таблица функции erf с (z)
z	erfc (z)	z	erfc (z)	z	erfc (z)
0	1,0	0,45	0,475	1,3	0,066
0,05	0,944	0,50	0,479	1,4	0,0477
0,1	0,887	0,60	0,396	1,5	0,0339
0,15	0,832	0,70	0,333	1,6	0,0237
0,2	0,777	0,80	0,258	1,7	0,0162
0,25	0,724	0,90	0,203	1,8	0,0109
0,3	0,671	1,0	0,157	1,9	0,0072
0,35	0,621	1,1	0,12	2,0	0,0047
0,4	0,572	1,2	0,09		
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие (ГН. Каииковский}......................................... 3
Глава *1. Общие требования к изучению гидрогеологических и инженерно*
геологических условий месторождений. Г.Н, Каииковский, Л.А. Соколове-
кая, Ф.И. Лосев....................................................... 4
Глава 2. Гидрогеологическая и инженерно-геологическая типизация место-
рождений. Г.Н. Каииковский, Л.А. Соколовская, Ф.И. Лосев............. 10
Глава 3. Методы гидрогеологических и инженерно-геологических прогно-
зов	................................................................. 13
Методы гидрогеологических прогнозов. Ф.И. Лосев. З.П. Лебедянская,
Н.Н. Банькова.................................................... 13
Методы инженерно-геологического	прогнозирования. Б.В. Смирнов ...	зо
Глава 4. Методы изучения гидрогеологических и инженерно-геологических
условий месторождений.....................  ....................	34
Полевые работы. Ф.И. Лосев, А.А. Дончук, Г.Н. Каииковский, В.И. Ван-
гулова, К-А.К. Вайтекунас, В.И. Кузькин, А.В. Трушин, В.Н, Криканов,
Л.А. Соколовская, Б.В. Смирнов, З.П. Лебедянская, В.И. Селиховкин,
М.С. Галицын, В.И. Соболев, В.Т. Дубинчук ..................	34
Лабораторные исследования. Л.А. Соколовская, В.И. Кузькин, В.Н. Кри-
канов. К-А.К. Вайтекунас .......................................  78
Глава 5. Изучение факторов, осложняющих гидрогеологические и инженер-
но-геологические условия месторождений............................... 86
Изучение глубоких водоносных горизонтов. Н.В. Ефремочкин. А.А. Без-
детный .........................................	86
Инженерно-геологическое изучение кор выветривания. Л.А. Ярг .....	93
Инженерно-геологическое изучение зон и поверхностей ослабления
пород. К-А.К. Вайтекунас, В.И. Кузькин .....................	95
Изучение напряженного состояния массива пород. К-А.К. Вайтекунас . .	95
Инженерно-геологическое изучение глубоких горизонтов. В.В. Фромм . .	99
Инженерно-геокриологические исследования. Л.А. Ярг, А.В. Павлов,
Н.Г. Бобов ....................................... Ю2
Глава 6. Изучение и прогнозная оценка изменения гидрогеологических, ин-
женерно-геологических и геокриологических условий под влиянием горных
разработок и осушения месторождений................................. 111
Изучение и прогноз изменения гидрогеологических условий. Г.Н. Каш-
ковский, Н.В. Сокулина.......................................... 111
Изучение шахтных (рудничных) вод как возможного источника гидро-
минерального сырья. Л. И. Рохлин, В.З. Рубейкин................. 117
Изучение изменения инженерно-геологических условий. О.Ф. Володарс-
кий ............................................................ 118
171
Прогнозная оценка изменений геокриологических обстановок. Н.Г. Бо-
бов, Р. Г, Петрова................................................ 121
Глава 7. Содержание работ на основных стадиях поисков и разведки место-
рождений различных типов и особенности их изучения. Г.Н. Кашковский,
Л. А. Соколовская, Ф.И. Лосев, З.П. Лебедянская....................... 124
Глава 8. Обработка материалов, содержание отчета и определение сметной
стоимости гидрогеологических и инженерно-геологических работ. Г.Н. Каш-
ковский, Л.А. Соколовская, Ф.И. Лосев, А.А. Дончук, В.А. Гарифулин,
А.В. Трушин, З.П. Лебедянская, З.М. Назарова,	В.Н. Колоскова .........	153
Список литературы..................................................... 167
Приложения............................................................ 169
ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ИЗДАНИЕ
ИЗУЧЕНИЕ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ
И ИНЖЕНЕРНО ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
ТВЕРДЫХ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
Редактор издательства Н.В. Венгерцева
Обложка художника К.В. Голикова
Художественный редактор Г.Н. Юрчевская
Технический редактор Л.Н. Фомина
Корректор Е.К. Антонова
Оператор О.М. Карабанова
Н/К
Подписано в печать 05.02.86. Т—06471. Формат 60x90 */16 . Бумага офсетая №2.
Набор выполнен на наборно-пишущей машине. Гарнитура „Универе" Печать
офсетная. Усл.печ.л 11,0. Усл.кр.-отт. 11,25. Уч.-изд.л. 13,16. Тираж 1500 экз.
Заказ 5190 /12712—2.	Цена 65 коп. Заказное
Ордена „Знак Почета" издательство „Недра",
103633, Москва, К-12, Третьяковский проезд, 1/19.
Ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени Первая
Образцовая типография имени А. А. Жданова Союзполиграфпрома при Государст-
венном комитете СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли.
113054, Москва, М-54, Валовая, 28