Шахтная и рудничная гидрогеология

Многие, особенно высокоразвитые капиталистические страны, характеризуются высоким уровнем развития горнодобывающей промышленности. В настоящее время ежегодный прирост продукции мировой горной промышленности составляет в среднем 5—8%, за каждые 15 лет объем добычи полезных ископаемых увеличивается примерно вдвое. По мере развития хозяйства, совершенствования техники добычи и улучшения технологии обогащения руд масштабы горного производства в перспективе будут возрастать, причем наряду с шахтной добычей отмечается существенный рост добычи полезных ископаемых открытым способом. Глубина шахт в некоторых странах достигает 2 км, проектируются шахты глубиной до 3 км и более, глубина карьеров составляет иногда несколько сотен метров.

Добыча полезных ископаемых, как правило, связана с подъемом на поверхность земли огромных масс горных пород и часто откачкой из недр значительных количеств подземных вод. Совокупность этих двух процессов осуществляющихся обычно на протяжении нескольких десятилетий, приводит к ряду нежелательных, но неизбежных последствий: изменению ландшафтов, гидрологических и гидрогеологических условий территорий. Эти изменения сводятся в основном к:

— преобразованию микроформ рельефа как в связи с обрушением кровли горных пород, так и в результате создания террикоников;

— ухудшению гидрологических условий, которое выражается в частичном сокращении стока или исчезновении рек, а также в изменении качества поверхностных вод вследствие сброса в реки и озера шахтных и рудничных вод;

— частичному или полному осушению и исчезновению болот;

— формированию воронок депрессий, диаметр которых в зависимости от интенсивности водоотбора может достигать нескольких десятков километров;

— ухудшению в пределах воронок депрессий условий водоснабжения населенных пунктов и падению урожайности сельскохозяйственных культур, а также оседанию поверхности земли;

— ухудшению условий питания и иногда качества подземных вод в результате смешения вод различных горизонтов; особенно при отработке месторождений с обрушением кровли;

— загрязнению подземных вод механическими частицами, органическими и другими веществами, иногда в количествах, выше норм допустимых для питьевых вод;

— повышению с глубиной минерализации подземных вод и температуры;

— загрязнению подземных вод вследствие выщелачивания отвалов горных пород и хвостохранилищ обогатительных фабрик атмосферными осадками и последующей инфильтрации их в водоносные горизонты;

— изменению физико-механических и фильтрационных свойств горных пород.

В связи с изложенным за рубежом за последние 10—15 лет появилось относительно большое число публикаций, посвященных разносторонней гидрогеологической характеристике месторождений полезных ископаемых, ознакомление с которыми несомненно будет полезным для советских специалистов, особенно для тех, кто занимается проблемами шахтной и рудничной гидрогеологии.

Анализ публикаций позволил выделить четыре типа месторождений, отличающихся особенностями геологического разреза, тектонического строения и гидрогеологическими условиями, в основном определяющими их обводненность.

К первому типу относятся месторождения, в разрезах которых участвуют преимущественно песчано-глинистые образования (глины, пески, песчаники, алевролиты и др.) при резко подчиненном значении карбонатных пород (месторождения бурого и каменного угля, бокситов, фосфоритов и др.); ко второму — месторождения, связанные в основном с разновозрастными карбонатными породами (известняки, доломиты) при весьма слабой роли в их разрезах песчано-глинистых отложений; к третьему — месторождения, располагающиеся в поле развития вулканогенных и интрузивных пород, иногда на контакте с осадочными; к четвертому — хемогенные месторождения (каменная соль, гипс и др.).

К первому типу относятся следующие месторождения. Верхнесилезский угленосный бассейн, расположенный на территориях ПНР и ГДР. В геологическом строении его участвуют отложения девона, выше залегают угленосные образования, сложенные песчанико-сланцевыми и карбонатными породами каменноугольной системы, еще выше располагается комплекс терригенно-карбонатных отложений перми, триаса, юры, мела, песчано-глинистых и хемогенно-карбонатных пород третичной системы. Заканчивается разрез четвертичными накоплениями мощностью более 100 м, среди которых для аккумуляции подземных вод большое значение имеют аллювиальные гравийно-галечниковые отложения.

Гидрогеологические условия месторождений определяются составом пород, особенностями структуры бассейна, взаимосвязью водоносных горизонтов между собой, а также с поверхностными водоемами и водотоками.

В обводнении месторождений бассейна главную роль играют карбонатные породы, менее значительную — средне- и крупнозернистые песчаники рэтского яруса триаса там, где они непосредственно залегают на угленосных отложениях карбона. В этих условиях притоки воды, достигающие 240 м3/ч, сильно осложняют проведение горных работ. На участках гидравлической связи водоносного горизонта карбоновых отложений с высоководоносными аллювиальными, не отделенными водоупорными породами, возможны прорывы воды в горные выработки. То же самое предполагается и на участках, где с карбонатными породами контактируют третичные отложения, хотя последние и менее водоносны.

Воды, приуроченные к песчаникам каменноугольной системы, характеризуются минерализацией от 1 (в областях питания бассейна) до 150 г/л и более (в глубоких частях структур). Это затрудняет проблему сброса их, а также приводит к осложнениям при работе.

Угольные месторождения Люблинского бассейна (Польша), образованные отложениями карбона, юры, мела, и четвертичной системы, характеризуются меньшей обводненностью. Водоносность их определяется трещиноватостью и закарстованностью юрско-меловых карбонатных пород. Мощность продуктивных отложений изменяется от 670 до 1170 м. При проектной глубине шахт 650— 1000 м притоки воды в горные выработки определены в размере 600 м3/ч.

Угленосный бассейн Ровинари (CPP) сложен песчано-глинистыми отложениями палеоген-неогена мощностью 40—150 м и четвертичными аллювиальными образованиями мощностью до. 15 м. По данным Г. Хоросану, месторождение отрабатывается карьером, приток воды в который изменяется от 500 до 1700 м3/ч. Близкой к описанной является и обводненность угольных месторождений в Гетикской депрессии, а также на севере Брашовской впадины (в бассейне р. Бараолт).

Значительные притоки подземных вод в горные выработки отмечены при разработке буроугольных месторождений ФРГ и ГДР, сложенных отложениями третичного возраста. Водоносные породы представлены разнозеринстыми песками с гравием и галькой с прослоями глин. Иногда подземные воды внезапно прорываются в горние выработки, что вызывает необходимость проведения дополнительных дренажных работ и постановки постоянного наблюдения за режимом подземных вод.

Бурые угли бассейна Эльбистан (хр. Антитавр, Турция) мощностью около 30 м залегают в толще плиоценовых терригенно-карбонатных, слабоводоносных пород. Фактором, осложняющим отработку месторождений является возможность значительных притоков подземных вод из соседнего карстового массива Кызылдаг при более широком развитии фронта работ в карьерах.

Месторождение лигнитов Нейвели (Индия) приурочено к песчано-глинистым отложениям кайнозоя мощностью около 120 м, мощность пласта лигнитов составляет 15 м. Водоносные пески, залегающие ниже лигнитов и отделенные от последних прослоем глин, дают притоки воды к скважинам, дренирующим карьер, в размере 1365 м3/ч, причем дальнейшая разработка пласта лигнитов может повести к увеличению притоков воды.

Кайнозойское месторождение лигнитов Дан-Сентер в Северной Дакоте находится в благоприятных гидрогеологических условиях, притоки воды в горные выработки невысокие. Бокситовое месторождение Юфола, в штате Алабама, сформировавшееся на закарстованной поверхности карбонатных пород формации Клейтон, перекрытых песками, алевритами и глинами формации Тускахома, характеризуется значительной обводненностью, притоки воды в выработки достигают здесь 400 м3/ч и более.

К второму типу месторождений, связанных преимущественно с разновозрастными карбонатными породами при резко подчиненном значении терригенных, относятся: буроугольное месторождение Надьэдьхауз (ВНР), Болеславско-Олькушские месторождения цинка и олова, а также свинцово-цинковые месторождения Олькушского района (ПНР), месторождение медистых песчаников около г. Мансфельд (ГДР), урановое месторождение Жировский Bpx (СФРЮ), ртутное месторождение Ракош (Чехия), месторождение лигнитов в Аливерион (Греция), золоторудные месторождения Вптватерсранда (ЮАР).

Буроугольное месторождение Надьэдьхауз сложено триасовыми доломитами и эоценовыми известняками, в которых залегают угольные пласты. Породы характеризуются слабой водоносностью Ii трещиноватостью, в связи с чем обводненность месторождения невысокая. Лишь в зонах разрывных нарушений, пересекающих закарстованные доломиты, возможны значительные притоки и внезапные прорывы подземных вод.

Болеславско-Олькушские месторождения цинка и олова сложены доломитами н известняками триаса и юры, между которыми залегает пачка глин мощностью до 100 м, но чрезвычайно не выдержанная по простиранию, В связи с этим подземные воды закарстованных и трещиноватых карбонатных пород двух систем гидравлически связаны между собой и обусловливают высокую обводненность месторождения. Притоки воды в горные выработки достигают 2700 м3/ч.

Аналогичными гидрогеологическими условиями характеризуются свинцово-цинковые месторождения Олькушского района, в которых руды перекрыты мощным водоносным горизонтом в интенсивно закарстованных карбонатных породах триаса, сообщающимся с горизонтом грунтовых вод, а также с рекой. Притоки воды в горные выработки изменяются от 0,6 до 600 м3/ч и более, а максимальные катастрофические достигают 2700 м3/ч.

Обводненность месторождений медистых песчаников около г. Мансфельда определяется развитием закарстованных гипсоносных отложений цехштейна. Карстовый размыв в этих отложениях прослежен на 20 км при разности отметок области питания и разгрузки подземных вод, равной 300 м. Водопритоки в горные выработки превышают 1100 м3/ч.

Обводненность цинковых месторождений Мэлхем (Великобритания) обусловлена развитием в районе сильно закарстованных известняков и наличием в них зон разрывных дислокаций. Хорошая связь известняков с поверхностью создает благоприятные условия Для быстрой инфильтрации атмосферных осадков и часто приводит к катастрофическим прорывам подземных вод в горные выработки.

Месторождение урана Жировский Bpx связано с зоной надвига, по которой отложения карбона надвинуты на породы триаса. Первые представлены песчаниками, конгломератами, аргиллитами и сланцами, вторые — известняками, доломитами и туффитами. Приток воды на 100 м горизонтальной выработки составляет 57,6 м3/ч, указывая на сто значительность в целом по месторождению.

Ртутное месторождение Ракош приурочено к зоне разлома, выполненной милонитами. Этот разлом разделяет пермские конгломераты и терригенно-карбонатные образования мезозоя. Такое строение месторождения благоприятствует инфильтрации атмосферных осадков, к максимуму выпадения которых, а также к периоду снеготаяния и приурочены наибольшие притоки воды в горные выработки, превышающие 40 м3/ч. He исключается возможность катастрофических прорывов воды в результате скопления значительных количеств ее в зоне разлома, в связи с чем указывается на необходимость проведения дренажа месторождения.

Участок месторождения лигнитов Аливерион (о-в Эвбея) в основании сложен домезозойскими сланцами, кристаллическими известняками и мраморами, па которых залегают интенсивно закарстованные и тектонически нарушенные известняки мезозоя мощностью более 1000 м. На неровной поверхности последних залегают пачки лигнитов, отделенные от известняков глинами мощностью от долей метра до 100 м и более. Мощность лигнитовых пачек до 60 м, вмещающих их песчаников и ракушечников 20—200 м. Добыча лигнитов с обрушением кровли вызвала интенсификацию притоков воды в горные выработки, в том числе и со стороны моря, с которым гидравлически связаны подземные воды острова, В частности, на наличие такой связи указывает увеличение хлора в подземных водах с 1,35 г/л в начале эксплуатации до 11,5 г/л после некоторого периода эксплуатации месторождения. Дебиты отдельных струй воды изменялись от 35 до 60 м3/ч, при катастрофических прорывах возрастали до 900 м3/ч.

В геологическом строении района золоторудных месторождений Витватерсранда участвуют отложения доломитовой серии протерозоя, разбитые комплексом сиенитовых даек меридионального простирания на отдельные блоки площадью от 20 км2 до нескольких сотен квадратных километров. Эти дайки, представляющие собой водоупорные барьеры, препятствующие развитию депрессионных воронок при осушении, в значительной степени определяют особенности гидрогеологических условий отработки месторождений. Самой крупной золотодобывающей шахтой района и мира является Уэст-Дрифонтейн, она же является и самой обводненной. Приток воды в шахту за период 1955—1969 гг. изменялся от 1326 до 5700 м3/ч. В 1968 г. после внезапного катастрофического прорыва приток достигал приблизительно 16,2 млн. м3/ч. Объем воды в трещинах, порах и полостях доломитового горизонта, за счет которого обводняется шахта, на участке Бэнк, где имел место указанный прорыв, рассчитанный с применением модели нестабильного состояния Тейса, для площади 156 км2, ограниченной дайками, определен в 2*10в-9 м3.

Высокой обводненностью характеризуются также рудники Медного пояса Катанги. Геологическое строение одного из участков пояса видно из рис. 28. Рудное тело расположено между двумя водоносными горизонтами, выше которых находится мощная толща интенсивно закарстованных и трещиноватых доломитов Верхнего Роана. По данным Дж. Риджкена и Дж. Клаттена, рудники Коикола являются самыми водообильными в Медном поясе и вторыми по обводненности в мире. Объем воды, откачиваемой из рудников в 1972 г., оценивался в 19 тыс. м3/ч.

Обводненность месторождений третьего типа, связанных с метаморфическими, интрузивными и вулканогенными породами, обусловлена трещиноватостью последних, развитием на участках оруденения зон разрывных нарушений, а также особенностями более молодых пород, перекрывающих эти участки.

Так, на одном из сидеритовых месторождений Рожнявского рудного района (Чехия), приуроченном к порфироидной толще, перекрытой аллювиальными отложениями р. Сланы, притоки воды незначительные. Наоборот, в Испании, по данным Р. Фернандеса-Рубио, на полиметаллических рудниках Тере, Линарес Ла Каролина, Мария в районе г. Мурсии, где большую роль в структурах месторождений играют разрывные нарушения, отмечались внезапные прорывы и большие притоки воды. Полиметаллическое оруденение находится в поле развития магматических пород.

На контактово-метасоматическом железорудном месторождении в Алькифе (Гранада), сложенном мраморизованными известняками, по данным того же автора, приток воды достигал 1800 м3/ч.

Однако на других известных месторождениях этого типа: железорудных Даялирадисхара (штат Мадхья-Прадеш, Индия) и Бирмингемском (штат Алабама, США), а также золоторудном — Ватукоула (о-ва Фиджи) водопритоки, как правило, невысокие

Месторождения четвертого типа, образованные каменной солью, гипсом или скоплениями других хемогенных осадков, пользующихся широким распространением, как правило, обводнены слабо.

Борьба с подземными водами при разработке месторождении полезных ископаемых осуществляется подземным способом и с поверхности, С этой целью применяют комплекс методов, среди которых имеются и специальные, разрабатываемые с учетом гидрогеологических условий месторождений (инъекция, замораживание, бурение в камерах повышенного давления, установка противофильтрационных завес и т. д.).

Например, в Венгрии основные месторождения бокситов залегают в карстовых породах гор Баконь, в связи с чем многие перспективные и эксплуатируемые месторождения находятся под угрозой прорыва карстовых вод. Объем откачиваемых вод на 1 г боксита достигает 61 м3, т. е. чрезвычайно высок.

Для борьбы с такими притоками проведены водопонижающие мероприятия и детальные исследования и наблюдения для получения данных, необходимых для' моделирования процессов, установления возможных участков прорыва воды и планирования мероприятий по предотвращению таких прорывов. Предложен показатель степени опасности прорыва — удельная мощность защитного пласта Муд, представляющая собой отношение мощности пород, оказывающих защитное действие к гидростатическому давлению. Приняты следующие градации его (в м*10в-1 см2/н): отсутствие опасности или низкая степень ее >2; средняя 1—2; высокая <1.

Большой объем работ по борьбе с притоками и прорывами воды осуществляется на буроугольных месторождениях ГДР, где коэффициент водообильности по некоторым угольным полям достигает 15 м3/т. В связи с неглубоким залеганием угольных пластов здесь перешли от подземного осушения к дренажу с поверхности с помощью водопонижающих скважин средней глубиной 80 м. На месторождении Лаузице для оценки водопритоков и их изменений во времени были поставлены воднобалансовые исследования на участке среднего течения р. Шпрее, которыми было установлено, что до 58% объема осадков идет на пополнение запасов подземных вод, чем и объясняются огромные водопритоки в буроугольные карьеры. Подсчеты водопритоков и условий водопонижения в настоящее время осуществляются с помощью ЭВМ. Предложены новые уравнения для их расчетов и моделирования.

Для борьбы с огромными прорывами воды, имевшими место в шахтах Мансфельдского района, сопровождавшимися их затоплением и гибелью людей, при прогнозировании этих прорывов специалисты ГДР, как и специалисты ВНР, обращают основное внимание на изучение опасных зон и на определение водоудерживающей способности водоупоров с учетом их мощности, положения и состава.

Кроме того, ожидаемый приток в выработки рассчитывается по коэффициентам водообильности, с помощью аналоговых методов, метода водного баланса, гидродинамического и др.

На упоминавшемся лигнитовом месторождении Аливерион на о-ве Эвбея (Греция) отмечавшийся огромный водоприток поставил шахту под угрозу затопления. В связи с этим были построены главная и вспомогательная дамбы, выполнены обшивка и цементация штреков для их герметизации, огромный объем работ по откачке воды. Для предупреждения прорывов рекомендовано на опасных участках выемку лигнита производить с сохранением страховочных целиков, так как обрушение кровли приводит к неустойчивости пород и усилению гидростатического давления.

На лигнитовых разработках в бассейне Мотру (CPP) для дренажа месторождений успешно применялся метод поглощающего бурения. В разрезе месторождения преобладают песчаные слои, проницаемость которых выше проницаемости горизонта кровли, что позволило за короткий срок провести снижение воды до уровня равновесия и применить этот опыт на многих шахтах бассейна.

Для месторождений Польши, в частности, угольных, разрабатываемых открытым или шахтным способом, считается рациональным осушать их системой дренирующих скважин. Сконструированная для этого осушительная система в гидравлическом отношении Должна обеспечить: полное использование зон с наименьшими фильтрационными сопротивлениями в качестве естественных дрен, находящихся в горных породах; сооружение скважин, забирающих подземные воды из горных пород способом, предохраняющим от возникновения турбулентных течений в их окружении и фильтре; применение минимального числа осушительных скважин с возможно большим дебитом, работающих в течение относительно короткого времени в период строительства шахты и обеспечивающих достаточную степень осушения (снятия гидростатических давлений) .

В ФРГ наиболее распространенными способами водопонижения являются открытый водоотлив, вертикальный дренаж, установки вакуумного понижения и др. Выбор того или иного метода определяется особенностями гидрогеологических условий и экономикой.

Осушение месторождения лигнитов в Нейвели (Индия) осуществляется с помощью водопонизительных скважин. Для выбора рациональной конструкции последних опробовались щелевые фильтры с открытыми отверстиями, мостообразными, блочными фильтрами Хагуста, Джонсона, Эшфорда и др.

Колоссальные водопритоки на упоминавшейся выше шахте Уэст-Дрифонтейн (ЮАР) нанесли огромный ущерб. В связи с этим на месторождении был проведен комплекс исследовательских работ, сопровождавшихся бурением большого числа наблюдательных скважин и моделированием процессов.

В Замбии, на медных рудниках Конкола, также характеризующихся весьма высокой обводненностью, для борьбы с водопритоками применялись два метода: I) из дренажных квершлагов на участках, где доломитовые породы кровли наименее водоносны, бурили горизонтальные скважины, позволяющие, не уменьшая размеров последних удалять обломки и шлам; 2) через породы кровли проходили квершлаги, а в водоупорной формации сланцев создавали камеры, из которых бурили дренажные скважины в доломиты Верхнего Роана. Второй метод оказался более эффективным.

Большие работы по борьбе с обводненностью месторождений полезных ископаемых проводятся в США и Канаде. Изучение химического состава подземных вод, осуществлявшееся на некоторых месторождениях одновременно с разработкой, позволило установить наличие вертикальной зональности в распределении их минерализации. Особенно четко последняя проявляется на угольных месторождениях.

Так, например в Шленско-Краковском бассейне, по данным А. Клечковского и З. Вилька, минерализация подземных вод продуктивной толщи на глубине 150—200 м составляла 20 г/л, а на глубине 500—700 м увеличилась до 180 г/л. Состав воды при этом изменился с хлоридно-гидрокарбонатного кальциево-натриевого на хлоридный натриевый. На севере бассейна, в пределах Шленско-Краковской возвышенности, на аналогичной глубине 700 м минерализация воды соответствовала 111 г/л, состав хлоридный натриевый.

Аналогичная зональность выявлена на площади центрального угленосного поля Люблинского бассейна. Здесь до глубины 150 м в отложениях верхнего мела распространены гидрокарбонатные кальциево-магниевые воды с минерализацией 0,25 г/л, ниже — до глубины около 700 м в отложениях среднего мела и юры минерализация подземных вод возросла до 2,5 г/л, в породах вестфальской серии карбона в интервале 670—1000 м она колебалась в пределах 1,2—4,3 г/л, а на глубине 1000—1300 м — в отложениях намюра — 17,6—65 г/л. Состав воды в пределах указанных глубин последовательно менялся с гидрокарбонатно-хлоридного натриевого на хлоридно-гидрокарбонатный натриевый и хлоридный натриево-кальциевый. Кроме вертикальной, в породах бассейна отмечается горизонтальная зональность, прослеживающаяся по падению пластов с востока на запад, согласно с направлением движения подземных вод.

Прямая вертикальная зональность в изменении химического состава подземных вод установлена на Добруджанском угольном месторождении (НРБ), в Шурском и Иббенбюренском угольных бассейнах (ФРГ), в Остравско-Карвинском бассейне (Чехия), в угленосных отложениях центральной части Пелопоннеса (Греция) и др.

Большое внимание зарубежные исследователи уделяют проблеме формирования кислых вод угольных месторождений, которые с каждым годом все в больших объемах извлекаются на поверхность земли и сбрасываются в речные или озерные бассейны либо в грунтовые воды и загрязняют их. Этой проблеме посвящены исследования И. Барнса и Ф. Кларка, К. Мукерджи, Д. Марьяновича, Т. Керни и Р. Фроста, И.К. Олдермена и У. М. Смита, Р. Фроста и др.

Большинство авторов пришло к выводу, что формирование этих вод связано главным образом с тем, что пирит окисляется меньше марказита и некоторых других сульфидов в результате взаимодействия с ними метеорных вод, обогащенных кислородом. По их представлениям, на первой стадии окисления пирита преобладают химические реакции, в связи с чем образуются сульфаты железа и серная кислота, при этом pH понижается до 1,5. На второй стадии реакции активную роль играют бактерии, окисляющие элементарную серу, образующуюся при промежуточной реакции взаимодействия двуокиси серы и сероводорода, до серной кислоты. На третьей стадии происходит распадение конечных продуктов бактериального воздействия.

По мнению многих авторов, кислые воды образуются не сразу в забое действующих выработок, а, как правило, в заброшенных выработках. Требуется несколько месяцев или год для того, чтобы в обнажившихся слоях породы, подвергшихся воздействию обогащенных кислородом вод, начались процессы преобразования сульфидов и формирования кислых вод. Этот вывод хорошо согласуется с примером формирования типичных кислых вод в районе крупных угольных складов близ Лондона. Минерализация этих вод Достигает 11,6 г/л, железа в них содержится 60 мг/л, а pH составляет 2,5.

Интенсивность процесса образования кислых вод зависит от степени обогащенности пород сульфидами, количества серы в углях, режима выпадения и инфильтрации осадков и наличия карбонатных пород в разрезе месторождении, нейтрализующих данный процесс.

Исследования, проводившиеся при откачке воды из затопленной шахты в районе Дарема (Великобритания), с целью прогнозирования масштабов загрязнения речных вод, показали, что со временем концентрация железа в этих водах уменьшается. Р. Фрост доказал, что менаду содержанием железа в откачиваемой воде, продолжительностью откачки и объемом откачанной воды существует определенная зависимость. Он пришел к выводу, что уменьшение концентрации железа лимитируется скоростью диффузии продуктов окисления пирита, полупериод ее уменьшения оценен нм в 350 дней.

Кислые воды широко распространены в районах угольных месторождений Аппалачей (США). По данным И. Олдермана и У. Смита, здесь имеется 5700 ручьев и других потоков, которые выносят из отработанных и закрытых угольных шахт около 5443 т/сут серной кислоты. В целях предохранения окружающей среды было предложено извлекать из кислых вод железо, марганец, серную кислоту и другие компоненты с одновременной очисткой воды.

Подземные воды, взаимодействуя с рудными телами месторождений полезных ископаемых, выщелачивают их, обогащаясь при этом характерными для соответствующих руд элементами и образуя в районе месторождений водные потоки или ореолы рассеяния этих элементов. Заружебные исследователи уделяют большое внимание изучению химического состава подземных вод, причем не столько с целью поисков новых рудных тел или месторождений, сколько в аспекте предохранения окружающей среды от загрязнения.

Подземные воды описанного выше ртутного месторождения Pa-кош (Чехия) с минерализацией от 0,2 до 1,11 г/л и сульфидным магниево-кальциевым составом содержат (мг/л): окиси марганца от 0,1 до 16,3, свинца 0,015, цинка 0,007 и железа до 20. В других районах Чехословакии (Пили и Трибец), где известны проявления сульфидного оруденения, в подземных водах отмечаются повышенные содержания сульфатов, а из микрокомпонентов — молибдена, свинца и цинка. Высокие концентрации рудных элементов в подземных водах установлены в районе полиметаллического месторождения Каньяк, близ г. Кутпа-Гора. По данным В. Зика, в этих водах определено (мг/л); железа до 997, цинка 5815. меди 176, марганца, 176, мышьяка 905, алюминия 43, свинца 3, бериллия 0,072, лантана 0,026; состав воды сульфатный железисто-цинковый. За пределами ореола подземные воды имеют сульфатно-гидрокарбонатно-хлоридный кальциево-магниевый состав и минерализацию в пределах 0,56—2,07 г/л.

Наличие значительных количеств цинка, меди, железа и других микрокомпонентов зафиксировано в рудничных водах сидеритовой) месторождения Ленчица (ПНР).

Примеры формирования водных ореолов рассеяния микроэлементов, связанных с проявлениями рудной минерализации, имеются не только в указанных странах Европы, но и в других, а также в Азии, Африке, Америке, Австралии. Токсичные элементы этих ореолов (свинец, мышьяк, фтор, уран и многие другие), скапливаясь в количествах выше норм, установленных для питьевых вод, отрицательно влияют на подземную воду как на один из элементов природной среды и затрудняют использование их для целей водоснабжения.

Тем не менее в некоторых высокоразвитых странах, ощущающих нехватку пресных вод, несмотря на отмеченные недостатки, шахтные и рудничные воды после соответствующей подготовки используются для различных хозяйственных нужд.

Так, например, годовая потребность ГДР в пресной воде составляет 8*10в-9 м3, объем воды, откачиваемой на предприятиях по добыче бурого угля, за тот же период оценивается в 1,2*10в-9 м3, т. е. является весьма высоким. Эти воды после очистки от механических примесей, обезжелезивания и нейтрализации в ряде случаев используются для питьевого водоснабжения и орошения земель.

Шахтные и рудничные воды широко используются также в народном хозяйстве Польши в северо-восточной части Верхнесилезского бассейна в связи с ежегодно возрастающей потребностью в пресных водах. По данным 3. Вилька и др., по этой причине потребление питьевых вод в указанном районе вследствие централизованного водоснабжения за период 1957—1961 гг. существенно уменьшилось. В других частях бассейна эти воды залегают более глубоко, обладают повышенной минерализацией и для того, чтобы их можно было использовать в практических целях, необходимо предварительное обессоливание. В результате проведения соответствующих опытов по опреснению шахтных вод были даны рекомендации о их более интенсивном использовании.

Во Франции для питьевого и промышленного водоснабжения уже несколько десятилетий широко используются откачиваемые из шахт подземные воды вогезских песчаников триаса, перекрывающих угленосные отложения карбона. В последние годы с этой же целью начали применять подземные воды, скапливающиеся в отработанных пространствах железорудных месторождений Лотарингии.

По данным П. Шазо, из угленосных отложений Лотарингского бассейна откачивается 204 млн. м3/г, из них для целей питьевого водоснабжения расходуется около 14 млн. м3 и для промышленных нужд 31,5 м3, что в совокупности составляет около 22% от общего количества откачиваемых вод. Остальные воды сбрасывают в поверхностные водоемы или закачивают в глубокие горизонты. В районе железорудных месторождений Лотарингии около 30% откачиваемых на рудниках вод используется для питьевого и промышленного водоснабжения.

Широко используются шахтные и рудничные воды для технического и питьевого водоснабжения в США, Здесь еще в 1967 г, начала осуществляться программа исследования шахтных вод и их использования, разработанная геологической службой страны.

Достаточно остро проблема утилизации шахтных вод стоит в Венгрии. Положительное решение ее сдерживается наличием в этих водах значительных количеств железа, марганца, их высокой минерализацией и жесткостью. Венгерскими специалистами даны рекомендации по очистке этих вод с целью использования их для водоснабжения и промышленных нужд.

Как отмечалось выше, длительная отработка месторождений, часто сопровождающаяся откачкой значительных объемов подземных вод и подъемом на поверхность огромных масс горных пород, вызывает изменения в ландшафте районов, гидрологическом режиме поверхностных водоемов и водотоков, а также в гидрогеологических условиях.

В 1977 г. в г. Кардифф (Великобритания) состоялась международная конференция, всесторонне обсуждавшая проблему изменения гидрогеологических и инженерно-геологических условий территории под влиянием разработки угольных месторождений.

Р. Хатчингс и др. подробно охарактеризовали деформации земной поверхности в районе разработок бурых углей в долине р. Латроб (Австралия) на площади около 100 км2. Интенсивное водопонижение в карьере привело к просадкам и другим деформациям поверхности.

Оседание земной поверхности, достигающее 60% мощности отработанного пласта углей, зафиксировано в районе угольных разработок около г. Джонстон (США), осуществлявшихся в период 1890—1930 гг. Оно сопровождалось образованием рва сдвижения, вызвавшего разрушение зданий и спортивных сооружений. Ожидаются дальнейшие деформации поверхности.

В районе угольного карьера Хореи, около Ньюкасла (Великобритания), после прекращения эксплуатационных работ повысился уровень грунтовых вод в отвалах, вызвавший серьезные деформации вскрышных пород.

Серьезные деформации поверхности и изменение гидрогеологических условий наблюдаются в районе угольных разработок Лаузица и медных руд Мансфельда (ГДР).

Понижение уровней подземных вод с образованием крупных воронок депрессии, провалов поверхности с одновременным ухудшением качества поверхностных вод зафиксированы на площади угольных разработок Верхнесилезского бассейна и во многих других областях Польши.

По данным Р. Фернандес-Рубио, в районе шахт Мина Kaстилья в Гвадалахаре и Алькифа в Гранаде (Испания) под влиянием длительных и непрерывных откачек отмечается значительное снижение пьезометрических уровней на больших территориях, в районе железорудного месторождения Алькифа на глубину до 100 м.

В ФРГ в нижнем течении Рейна в последние десятилетия под влиянием осушения угольных месторождений резко снизился уровень грунтовых вод, получили широкое развитие процессы вертикальной эрозии русла реки, ухудшились условия водоснабжения в результате использования подземных вод.

В США (штат Северная Каролина) на месторождении фосфоритов в приморской равнине вследствие интенсивной откачки подземных вод при осушении карьера произошло вторжение морских вод в водоносный горизонт, воды которого до этого употреблялись для питьевого водоснабжения и орошения земель. В результате произошло резкое ухудшение качества подземных вод.

Подобные примеры можно перечислять бесконечно, но и приведенных достаточно для того, чтобы показать масштабы изменений окружающей среды, происходящих под влиянием разработок месторождений.