Гидрогеологические условия разработки и прогноз водопритоков в глубокие горные выработки Кустанайской железорудной зоны (на примере Алешинского и Соколовского месторождений)

В решениях ХХУ1 съезда КПСС по пятилетнему плану развития народного хозяйства СССР на 1980;1985 гг. в области промышленности определены большие задачи по дальнейшему увеличению и расширению добычи минерально-сырьевых ресурсов Казахстана. В частности увеличение добычи железных руд в Тургайском регионе предусматривается в основном за счет реконструкции действующих и строительства новых высокомеханизированных карьеров и шахт производительностью 3 млн. тонн руды в год и более. Принятыми мерами по наращиванию темпов развития сырьевой базы черной металлургии намечается внедрение новых прогрессивных систем разработки, применение современных высокопроизводительных механизмов, широкое внедрение комплексной механизации и автоматизации процессов добычи железных руд. Эффективность осуществления этих мероприятий наряду с другими факторами в значительной степени предопределяется гидрогеологическими условиями месторождений.

Возрастающая потребность народного хозяйства в железных рудах (металлургические заводы Урала и Казахстана) приводит к интенсивно^ промышленному освоению глубокозалегающих месторождений, находящихся в неблагоприятных гидрогеологических условиях, запасы руд по многим из них в свое время из-за сложности добычи были отнесены к забалансовым. Разработка железных руд на глубоких горизонтах сопровождается увеличением напоров, минерализации, температуры, агрессивных свойств подземных вод, а также сложными горнотехническими условиями проходки горных выработок (вывалы, горные удары и т. д.). В связи с этим резко возрастает значение обоснованности количественной оценки гидрогеологических условий эксплуатации месторождении от стадии геологоразведочных работ до стадии проектирования будущего горнорудного предприятия.

— в.

Одним из наиболее важных для проектировщиков и разработчиков показателей, характеризующих условия эксплуатации железорудных месторождений, является обводненность, оказывающая большое влияние на способ отработки и возможность эффективного применения современной технологии горнодобычных работ. Высокая обводненность покровных и рудовмещающих пород часто служит основной причиной снижения их устойчивости и проявления негативных процессов (плывунные свойства пород, обрушение), вследствие чего ухудшается безопасность труда шахтеров и становятся неприменимыми высокопроизводительные способы отработки, что в целом приводит к снижению технико-экономических показателей работы шахты.

В связи с этим возросшие в последние годы требования к детальности изучения гидрогеологических условий при разведке месторождений обусловливают необходимость повышения достоверности расчетов прогнозных водопритоков без существенного увеличения стоимости изыскательских работ не только в целом по шахте, но и в отдельные горные выработки, проходимые в интенсивно трещиноватых и закарстованных породах. Выполненный автором анализ литературных источников показал, что положительное решение этой проблемы в имеющихся методических работах и руководствах пока еще не достигнуто. Таким образом, изучение закономерностей формирования водопритоков в глубокие горные выработки железорудных месторождений в Кустанайской железорудной зоне основанное на использовании фактического материала по осушению Соколовского подземного рудника, и разработка обоснованной методики прогнозирования являются актуальными .

Основным объектом исследований автора является рудовмещающая толща нижнего карбона (соколовская и андреевская свиты) с точки зрения их обводненности.

В процессе работы над диссертацией автором решались следующие основные задачи:

— изучить условия формирования, ресурсы и режим подземных вод района.

Применительно к конкретным объектам Кустанайской железорудной зоны:

— изучить обводненность водоносных пород, участвующих в строении месторождений и особенности их осушения;

— дать анализ основных проектных положений и фактических данных по осушению месторождений с точки зрения разработки их системами с обрушением и закладкой;

— установить связь обводненности горных выработок с технико-эксплуатационными факторами и дать количественную оценку этих связей;

— разработать метод прогноза водопритоков с помощью многомерного корреляционного анализа выявленных факторов, наиболее сильно влияющих на шахтные водопритоки;

— оценить возможность водоснабжения горнорудных объектов за счет местных водных источников.

Для решения перечисленных задач в процессе исследований проработаны литературные и фондовые источники, посвященное изучению закономерностей обводнения горных выработок в условиях трещиноватых пород, выполнен анализ гидрогеологических условий эксплуатации месторождений, проведена систематизация фактического материала и методов прогноза водопритоков в горные выработки. Обработка фактического материала по прогнозу водопритоков решена с помощью ЭВМ серии ЕС-1060.

В работе использованы данные геолого-маркшейдерской службы Соколовского рудника о горногеологических условиях проходки горных выработок и технологии их подготовки, транспортировке закладочных смесей и возведении искусственных целиков, фондовые материалы производственного геологического объединения «Севказгеоло-гия», ССГОКа и Всесоюзного научно-исследовательского института «Фундаментпроект» .

Основное внимание в диссертационной работе уделено анализу характера и степени обводненности горных выработок в зависимости от геолого-гидрогеологических условий разработки и технико-эксплуатационных показателей рудника. Кроме того, в диссертации рассмотрены подземные воды района с точки зрения возможности их использования как источников водоснабжения рудников. Поэтому определенное место в работе отводится вопросам изучения аллювиальных и трещинно-карстовых вод, их формирования, режима, химизма, а также уточнена оценка общих запасов и ресурсов подземных вод района.

Научная новизна исследований сводится к следующему:

— изучены особенности размещения, залегания и формирования подземных вод;

— выполнен анализ основных положений по осушению месторождений, на основании которого разработаны рекомендации по снижению остаточных столбов воды в меловых отложениях;

— установлены основные технико-эксплуатационные факторы, влияющие на шахтные водопритоки и разработана новая методика расчета водопритоков в горные выработки;

— установлена полная возможность водообеспечения горнорудных объектов за счет местных водных ресурсов.

Основные защищаемые положения диссертационной работы заключаются в следующем:

I. Гидрогеологические условия отработки железорудных месторождений определяются характером проницаемости трещинно-карстовых коллекторов, которые в естественных условиях заключают лишь емкостные запасы подземных вод, пополняемые при осушении за счет перетекания из мелового водоносного комплекса.

2. Водопритоки в подземные горные выработки определяются не только гидрогеологическими и инженерно-геологическими условиями, но в значительной мере также зависят от техногенных факторов.

3. Прогнозирование водопритоков в глубокие горные выработки рекомендуется осуществлять методом многомерной корреляции в зависимости от технико-эксплуатационных показателей рудника (производительности, глубины отработки и времени эксплуатации), позволяющего с достаточной для практических целей точностью определять прогнозные водопритоки наравне с гидродинамическим методом при наименьших затратах по сравнению с последним.

4. Уточнена оценка запасов и ресурсов подземных вод района.

Диссертационная работа выполнена в секторе гидродинамики подземных вод Института гидрогеологии и гидрофизики АН КазССР под научным руководством доктора геолого-минералогических наук профессора С. Ж. Жапарханова.

Основные результаты исследований по теме диссертации изложены в четырех печатных работах.

Материалы диссертации и основные положения отражены в геологическом отчета, представленном в ГКЗ СССР (Москва, 1975 г.), докладывались и обсуждались на республиканском совещании молодых ученых и геологов (Караганда, 1982 г.), на НТС Северо-Казах-станского ПРО «Севказгеология» (Кустанай, 1983 г.), на расширенном заседании секторов Института гидрогеологии и гидрофизики АН КазССР (Алма-Ата, 1983 г.).

За оказанное внимание, содействие и помощь в процессе выполнения работы автор выражает искреннюю признательность: академику АН КазССР У. М. Ахмедсафину, члену-корреспонденту АН КазССР Ж. С. Сыдыкову, кандидатам геолого-минералогических наук Н. Д. Петрову, P.M.Курмангалиеву.

Автор благодарен кандидатам геолого-минералогических наук Н. И. Немзорову, Ю. И. Киму, В. В. Крылову и Ю. М. Беликову за критические замечания и полезные советы при работе над диссертацией.

Рис. 1 Л. Обзорная карта района.

I — граница Кустанайской области- 2 — граница Кустанайской железорудной зоны- 3 — рудопроявления- 4 — разведанные месторождения железных руд- 5 — действующие рудникиб — населенные пункты- 7 — озера- 8 — метеорологические станции.

— 14.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Рассмотренные в диссертационной работе вопросы обводненности и условий осушения глубоких горизонтов железорудных месторождений Кустанайской зоны, а также водоснабжения существующих и проектируемых горнодобывающих предприятий, позволяет сделать следующие основные выводы:

1. Кустанайская железорудная зона характеризуется сложными гидрогеологическими условиями, что обусловлено глубинами залегания рудных залежей, широким развитием разрывной тектоники и связанной с ней повь^нной трещиноватостыо и закарстов^нностью пород, наличием в кровле рудных горизонтов мощной толщи обводненных покровных отложений. Освоение месторождений требует их предварительного осушения.

В изученном районе в разрезе выделено 5 водоносных горизонтов, объединяемых в две обособленные гидродинамические зоны: верхнюю и нижнюю. В верхней зоне активного водообмена наибольшее распространение по площади имеют пресные воды гидрокарбонатного класса с минерализацией до I г/л и слабосолоноватые хлоридно-гидрокарбонатные воды с минерализацией до 3 г/л. Пресные воды развиты главным образом вдоль долины р. Тобол, а также в местах выхода водосодержащих пород к дневной поверхности.

К нижней гидродинамической зоне затрудненного водообмена приурочены преимущественно соленые воды хлоридного класса с минерализацией 5−10 г/л и более.

Наибольшую сложность при разработке железных руд вызывает осушение гидравлически связанных мелового и палеозойского водоносных комплексов, отнесенных к нижней гидродинамической зоне.

2. По условиям обводненности в палеозойском водоносном комплексе рассматриваются две группы пород. К первой отнесены сильно водообильные известняки и песчаники, развитые преимущественно на.

— 176 флангах месторождений, ко второй — менее обводненные породы интрузивного и вулканогенно-осадочного генезиса, слагающие центральную часть месторождений (рудовмещающая толща).

3. На величину шахтных водопритоков наибольшее влияние оказывают также технико-эксплуатационные факторы (в порядке уменьшения тесноты связи): время эксплуатации, глубина отработки и производительность рудника. В работе дана количественная оценка степени обводненности горных выработок от указанных технико-эксплуатационных показателей на примере Соколовского подземного рудника. Автором получено уравнение множественной регрессии б виде полинома второй степени, позволяющее оценивать прогнозные шахтные водопритоки с увеличением глубины и времени отработки железных руд как на Соколовском месторождении, так и на месторождениях — аналогах в пределах Кустанайской железорудной зоны.

На основании предложенной формулы автором впервые даны надежные величины прогнозных водопритоков для глубоких горизонтов Соколовского подземного рудника.

4. Ретроспективный расчет водопритоков в Соколовской подземный рудник по полученной автором формуле показал хорошую сходимость с фактическими данными. Результаты расчетов прогнозных водопритоков в проектируемые горные выработки на Алешинском месторождении оказались сопоставимыми с данными расчетов притоков по формулам гидродинамики. Это свидетельствует о правильном выборе схемы граничных условий для хорошо изученного объекта. Для менее изученных и более сложных месторождений схематизация граничных условий весьма затруднительна и во многом субъективна, что в конечном счете снижает достоверность величин водопритоков, рассчитанных гидродинамическим методом и может повлечь за собой существенные недостатки в проектируемой схеме осушения. В этих условиях прогноз водопритоков по предложенной автором формуле дает надежные результаты, так как в ней комплексно учтены природные граничные и внутренние гидрогеологические условия фильтрационного поля, определяющие величину водопритокав формулах гидродинамики, выведенных к тому же для равномернопроницаемых зернистых коллекторов, зачастую часть этих граничных и внутренних условий не может быть учтена, что предопределяет ошибки прогноза в расчетах водопритоков.

5. Водоснабжение Соколовского рудника осуществляется путем забора воды из Каратомарского водохранилища на р.Тобол. В период следующих последовательно маловодных лет недостающее количество воды может быть получено скважинным водозабором из мелового водоносного комплекса в прибрежной зоне водохранилища.

Водоснабжение Алешинского рудника может быть ориентировано на использование пресных подземных вод четвертичных аллювиальных отложений в долине р.Тобол. Прогнозные эксплуатационные запасы подземных вод на двух участках — Северном и Южном — оценены в количестве 20 476 м3/сутки, что полностью покрывает потребность рудника в воде. Для технического водоснабжения рекомендуется использовать дренажную рудничную воду.

Дальнейшие исследования должны быть направлены на решение таких задач:

1.Продолжение наблюдений за притоками в Соколовский подземный рудник, обработка их на ЭВМ и получение более «чистого» уравнения полинома, свободного от влияния карьерного водоотлива, для прогнозов водопритоков на месторождениях-аналогах в первые 5 лет эксплуатации.

2.Изучение возможности снятия остаточных напоров в меловом водоносном комплексе на Соколовском подземном руднике с помощью водопонижагощих скважин, закладываемых на участках с величинами на-пороЕ 15−20 м. При положительном эффекте будет возможным отказаться от дорогостоящей закладки и перейти на более экономичную систему с обрушением кровли вмещающих пород.