Методы гидрогеологических исследований

ОБЪЕМ И ХАРАКТЕР ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ РАБОТ НА РАЗЛИЧНЫХ СТАДИЯХ РАЗВЕДКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Геолого-гидрогеологическая служба в горной промышленности занимается разведкой месторождений полезных ископаемых, осуще­ствляет геологическое обслуживание при строительстве шахт и карьеров, а затем при их эксплуатации.

Изучение гидрогеологических условий района и участка место­рождения полезных ископаемых проводится одновременно с геоло­горазведочными работами, как правило, в три стадии — поисковую, предварительной и детальной разведки. Осуществляется переход от изучения большей территории с меньшей детальностью к изу­чению отдельных участков с большей детальностью.

Каждой стадии разведки соответствует свои объем и характер гидрогеологических исследований и наблюдений.

На стадии поисков представление о гидрогеологических усло­виях месторождения можно получить главным образом путем изучения имеющихся в фондах отчетов и опубликованных работ по геологии, гидрогеологии, геоморфологии, гидрографии и климату района. Проводится маршрутная или площадная съемка, собираются данные по буровым скважинам и по обводненности расположенных вблизи эксплуатируемых месторождений.

В процессе предварительной разведки устанавливаются степень обводненности отдельных участков месторождения (полей, карьеров и шахт), количество водоносных горизонтов, глубина залегания, мощность, величина напора и подробнее изучается основной горизонт, обводняющий полезное ископаемое. Изучаются литологические особенности, физико-механические, водные свойства и водообильность пород кровли, почвы и самого полезного ископаемого. Устанавливается связь основного водоносного горизонта с соседними горизонтами и водами поверхностных водотоков и водоемов.

На стадии детальной разведки уточняются условия обводнения и устойчивости горных выработок на отдельных полях карьеров и шахт. Должны быть получены исходные данные для расчета ожидаемых водопритоков и, если надо, для проектирования осушительных мероприятий.

 

ВИДЫ И СОДЕРЖАНИЕ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ РАБОТ

К основным видам гидрогеологических работ при поисках и разведках относятся: гидрогеологическая съемка, гидрогеологические наблюдения при разведочном бурении, бурении гидрогеологических скважин, стационарные наблюдения за режимом подземных и поверхностных вод, опытно-фильтрационные исследования и гидрохимическое изучение подземных вод.

Гидрогеологическая съемка заключается в проведении сети маршрутов, при которых на топографическую (а лучше геологическую) карту наносятся источники, колодцы, буровые скважины, болота, поверхностные водоемы и водотоки и дается их описание с определением дебита и качества воды источников и колодцев.

В процессе проведения съемки нередко ведется бурение скважин на недостаточно изученный водоносный пласт и проводятся откачки для изучения его водопроницаемости. В слабо изученных районах съемка сопровождается геофизическими работами и наблюдениями за режимом подземных вод.

Задачей гидрогеологической съемки является выяснение количества водоносных горизонтов, условий их залегания и распространения, а также химического состава поверхностных и подземных вод.

При бурении разведочных скважин ведутся гидрогеологические наблюдения за уровнем воды в скважинах и поглощением промывочной жидкости. Последние позволяют определить поглощающую способность горных пород.

        Бурение гидрогеологических скважин ведется для определения уровней воды отдельных водоносных горизонтов с изоляцией водоносных горизонтов друг от друга путем тампонажа. Наблюдения за уровнем воды в гидрогеологических скважинах имеют важное значение, так как они используются для установления мощности водоносного слоя, величины гидростатического напора и построения гидрогеологических карт.

        Водообильность встреченных скважиной водоносных горизон­тов опробуется кратковременными откачками, по результатам которых вычисляются коэффициенты фильтрации водосодержащих пород и удельный дебит скважины, т. е. дебит при понижении уровня воды в скважине на 1 м.

        Стационарные наблюдения за режимом подземных и поверхностных вод проводятся для установления связи подземных вод с поверхностными водами рек и водоемов, зависимости положения уровня подземных вод от метеорологических факторов (главным образом осадков) и взаимосвязи между водоносными горизонтами. На месторождениях со сложными гидрогеологическими условиями эти наблюдения должны вестись в течение нескольких лет, во всяком случае не менее года. Организуются они при детальной разведке и нередко продолжаются в период эксплуатации месторождения.

        По сезонам года изучается изменение химического состава подземных вод. Скважины стационарной сети наблюдений оборудуются фильтрами с прочно закрывающимися крышками во избежание засорения.

        Опытно-фильтрационные исследования. Основными данными, характеризующими водообильностъ водоносных горизонтов, являются удельный дебит скважины и коэффициент фильтрации, определяемые обычно при помощи откачек, реже наливами.

        Для опробования водоносных горизонтов проводятся кратковременные откачки из одиночных скважин в процессе бурения (пробные откачки), а для более точного определения водопроницаемости пород — откачки длительного характера (опытные откачки) из одиночных скважин или куста скважин.

        Опытные откачки проводятся в наиболее характерных местах, выбранных в результате предварительного изучения геологиче­ского строения района, условий залегания водоносного горизонта, направления потока и т. п. При разведке месторождений опытные откачки целесообразно осуществлять в местах с максимальной и средней обводненностью и на участках с невыдержанным геологическим строением.

        Опытный куст состоит из центральной скважины, из которой ведется откачка воды, и из наблюдательных, расположенных по одному или двум лучам по направлению и перпендикулярно движению подземного потока. Чем сложнее гидрогеологические усло­вия и чем более детальную характеристику водопроницаемости пород надо получить, тем больше закладывается скважин по боль­шему числу лучей. Чаще куст состоит из центральной и двух-трех наблюдательных скважин, заложенных по одному лучу, желательно перпендикулярному движению подземных вод. Расстояния между центральной и наблюдательными скважинами берутся большими в хорошо водопроницаемых породах и увеличиваются с удалением последних от центральной.

        Перед откачкой скважины оборудуются фильтрами. В центральной скважине диаметром 150—250 мм устанавливается фильтр диаметром 100—150 мм, в наблюдательных скважинах диаметром 75—100 мм — фильтр диаметром 50—75 мм. Тип фильтра скважин опытных кустов выбирается с учетом литологического состава водосодержащих пород и продолжительно­сти работы скважины. В галечниках и неустойчивых трещиноватых породах применяются фильтры в виде перфорированной металлической трубы с круглыми или щелевыми отверстиями диаметром или шириной 10—20 мм со скважностью 20—25%. Скважность — отношение площади отверстий к боковой поверхности фильтра в процентах.

        При откачке из водоносных песков применяются сетчатые фильтры, в которых рабочая часть состоит из перфорированной трубы с круглыми отверстиями диаметром 5—10 мм или щелевыми шириной 10—20 и длиной 100—200 мм, проволочной обмотки и сетки (рис. 25). Обмотка медной проволокой диаметром 1—3 мм производится для того, чтобы сетка не прилегала к трубе плотно и обеспечивала бы большую пропускную способность фильтра. Сетка подбирается с расчетом, чтобы 40—60% песчаной породы проходило через ее отверстия. В мелкозернистых глинистых песках для увеличения захватной способности вокруг фильтра устраивается песчано-гравелистая обсыпка толщиной 40— 60 мм. Диаметр зерен обсыпки берется больше среднего диаметра водоносного песка в 4—6 раз.

        Рабочая часть фильтра должна быть не менее 3—5 м. Пробная откачка ведется при одной - двух ступенях понижения продолжительностью 1—2 смены каждая. Опытная откачка проводится при двух-трех ступенях понижения продолжительностью 1—3 суток (3—9 смен), из них около 8 ч должны наблюдаться постоянные дебит и понижения в центральной и наблюдательных скважинах. Откачка с большей продолжительностью проводится для оценки дебита скважины, пробуренной в целях водоснабжения (до 15—45 суток) при неясной водообильности опробуемого водоносного горизонта.

        Величина понижения берется: минимальная 1 м и более (до 0.15Н); максимальная 3 м и более (до 0,45Н), где Н — мощность безнапорного водоносного слоя или столб воды напорного водоносного слоя.

        Для откачки в зависимости от глубины залегания уровня воды и дебита скважины применяются центробежные насосы, штангово-поршневые, эрлифты, артезианские турбинные насосы (АТН) и.др.

        Во время откачки через каждые 30—60 мин замеряют дебит откачиваемой воды и уровня воды по всем скважинам. Вычисление коэффициента фильтрации по данным откачки осуществляется по формулам (53) — (60).

        В определенных случаях проводят опытный налив в одиночную скважину, шурф или в центральную скважину при наличии наблюдательных. Порядок проведения опытного налива тот же, что и для опытных откачек. Замерив уровень воды в скважинах до опыта, производят налив, подавая в скважину количество воды, равное расходу, при котором созданный уровень сохраняется постоянным. Налив продолжается до тех пор, пока расход и уровень в скважинах будут постоянными в течение нескольких часов и создается установившееся движение воды.

        Рассчитывают коэффициент фильтрации по данным налива по формулам для поглощающих грунтового или артезианского колодцев [14].

        При детальной разведке крупных месторождений опытными от­качками определяют также коэффициент пьезопроводности в артезианских водах и коэффициент уровнепроводности в грунтовых водах, которые необходимы для расчетов расхода и радиуса влияния водоотлива или водопонижающих скважин при проектировании осушения карьера или шахты на разные периоды эксплуатации (через 1 год, 5, 10, 20 лет). Коэффициенты пьезопроводности и уровнепроводности характеризуют скорость передачи изменения давления в водоносном пласте под влиянием откачки воды.

        Гидрохимическое изучение подземных вод заключается в отборе проб воды из скважин на химический анализ с последующей оценкой ее качества как питьевой (ГОСТ 2874—54) или технической (по ведомственным нормам), а также для определения агрессивности воды по отношению к бетону и железу (СН 249—63).