ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКАЯ И ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ
ХАРАКТЕРИСТИКА КАМЕННОУГОЛЬНЫХ УГЛЕНОСНЫХ
ОТЛОЖЕНИЙ ДОНЕЦКОГО БАССЕЙНА 6.1
Подземные воды каменноугольной
толщи Донбасса Каменноугольные
угленосные отложения Донбасса сложены
разнообразным комплексом терригенных
пород – песчаниками, алевролитами, аргиллитами,
среди которых в виде маломощных слоев
залегают пласты углей и известняков.
Общая мощность каменноугольных отложений
увеличивается с запада на восток и от
окраин к центральной части бассейна –
области наибольшего прогибания и изменяется
от 700 м в районе с. Терновка до 18 км у г.
Шахты.
Подземные
воды являются важнейшим элементом
горно-геологических условий карбона.
Они широко распространены как
по площади, так и на глубину,
образуя водоносные горизонты
и комплексы различные по типу, условиям
залегания, водообильности, составу и
другим признакам. Отложения карбона по
типу содержащихся в них водоносных горизонтов
и степени водообильности подразделяются
на две различные толщи: нижнюю – известняковую,
включающую мощный водоносный горизонт
трещинно-карстовых вод, и верхнюю песчано-глинистую
с многочисленными водоносными горизонтами
пластово-трещинных вод, приуроченных
к пластам песчаников и известняков.
Толща
почти сплошных известняков, реже
доломитов (свиты С1 - С5) вскрытые
в северо-западной части Донбасса сильно
трещиновата и закарстована до глубины
200 м. Степень их трещиноватости и закарстованности
резко изменяется как с глубиной, так и
по простиранию, увеличиваясь вблизи тектонических
разломов, в долинах балок и рек. Коэффициенты
фильтрации здесь достигают до 100 м/сут.
Зеркало трещинно-карстового горизонта
имеет общий уклон с запада на восток.
Дебиты отдельных скважин достигают 0,1
м3/сек.
Свиты
среднего и верхнего отделов
карбона сложены чередующимися
пластами песчаников, аргиллитов, алевролитов,
известняков и углей. Терригенные породы
слагают здесь до 98 % всей толщи, однако
в северной и северо-восточной частях
бассейна содержание известняков повышается
до 10-17 % по сравнению с 0,1-5,0 % остальной
территории. Мощность известняков не превышает
2-3 м, иногда до 10 м, редко до 40-50 м (известняки
G1 и F1) – в северо-восточных районах.
Средняя
мощность песчаников составляет
20-25 м, иногда 70-80 м, редко 100 м
в свитах. В отложениях песчано-глинистой
толщи карбона выделено 330 более или
менее выдержанных водоносных горизонтов,
в том числе в известняках – 105 и 225 в песчаниках.
Количество водоносных горизонтов в каждой
из свит изменяется от 11 (в свите С23) до
44 ( в свите С27), причем степень выдержанности
и их мощность существенно отличаются
в различных районах. Обусловлено это,
как быстрой фациальной изменчивостью
отложений, так и общими изменениями металлического
состава толщи в разных частях бассейна.
Коэффициенты фильтрации песчаников изменяются
от нескольких м/сут до 100 м/сут.
Водоносность
пород карбона закономерно уменьшается
с глубиной и затухает на
глубинах 700-900 м. Исключением являются
зоны тектонических нарушений,
особенно сбросы и флексуры, где
высокая водообильность прослежена
до глубин 1000-1300 м (Чайкинская, Березовская
флексуры). Водопритоки в шахты существенно
зависят от мощности и степени обводненности
покрывающих карбон отложений. Существенное
влияние на обводненность оказывают также
поверхностные воды и сезонные атмосферные
осадки в открытых и полузакрытых районах
на верхних горизонтах шахт до глубины
100-250 м.
О различной
степени водоносности каменноугольных
пород свидетельствуют притоки
в шахты, средняя величина которых
составляет 75-90 м3/час, редко 300-400
м3/час и больше (несмотря на незначительную
мощность), чем песчаников, что объясняется
повышенной их трещиноватостью и закарстованностью.
При вскрытии известняков горными выработками
иногда наблюдаются очень большие кратковременные
притоки. Катастрофический прорыв воды
из пласта известняка М5 зафиксирован
на глубине 146 м на шахте Ломоватская-Южная
п/о «Стахановуголь». В первые шесть часов
наблюдались притоки до 460 м3/час. Вода
в стволах за сутки поднялась на 40 м выше
рудного двора. За 40 дней было откачено
220 тыс. м3.
Особенно
обводнены песчаники свиты С25 – K6SK7 с притоком
до 1200 м3/час; K9SL1 – более 1000 м3/час; свиты
C26 – l6Sl7 323 м3/час. Общий приток воды в шахты
Донбасса 912 тыс. м3/сут, снижаясь с глубиной.
Однако еще на глубине 1000 м притоки достигают
15-18 м3/час. Средний коэффициент водообильности
для шахт Донбасса
составляет
2,8, по отдельным районам 1,3-5,0.
Соответственно наблюдается и
изменение коэффициента фильтрации
с глубиной (от 0,96-0,36 м/сут на глубине
50-150 м до менее 0,002 м/сут на
глубине 900-1000 м).
Увеличение
минерализации подземных вод
каменноугольной толщи направлено
от центральной (открытой) части
к его периферийным (закрытым) районам.
Минерализация вод песчано-глинистой
толщи карбона колеблется от 0,2
до 0,66 г/л, при среднем значении
2-3 г/л. Жесткость от следов до 250 мгэкв/л.
По условиям
залегания подземные воды карбона
трещинные и трещинно-пластовые.
6.1.1 Формирование
химического состава шахтных
вод
Разнообразие
геологического строения условий
залегания, питания и дренирования
подземных вод обусловили довольно разнообразный
их состав и минерализацию. Их состав и
минерализация изменяются в зависимости
от мощности покровных отложений. Для
вод поверхностной зоны наиболее открытых
районов Донбасса минерализация подземных
вод низкая, до 1 г/л. При увеличении мощности
четвертичных отложений и сокращении
выходов карбона на дневную поверхность,
минерализация постепенно увеличивается
до 2-3 г/л. По мере увеличения мощности
покровных отложений к периферийным частям
Донецкого бассейна минерализация возрастает
до 40-50 г/л. Наблюдается также изменение
минерализации с глубиной. В районах открытого
Донбасса на глубинах 300-400 м величина минерализации
– 2-3 г/л, на глубинах 400-700 м – 5-6 г/л (в полузакрытых
районах) и на более глубоких горизонтах
– более 10 г/л (закрытый Донбасс).
В составе
подземных вод также наблюдается
последовательный переход с глубиной
от гидрокарбонатных через сульфатные
к хлоридным. При вскрытии водоносных
горизонтов горными выработками
подземные воды претерпевают
значительные изменения. Изменение химического
состава отражается главным образом на
увеличении общей минерализации, жесткости
и кислотности. Одновременно возрастает
и агрессивность вод в верхних горизонтах
угленосных отложений. В результате процессов
окисления сульфидов (в основном пирита)
и других минералов (в основном сульфата
железа, магния, алюминия и др.) образуется
окислительная зона, где формируются кислые
шахтные воды. Окисление пирита происходит
по схеме: (6.1) т.е., при действии фильтрационной
воды, обогащенной кислородом, происходит
окисление серы с образованием серной
кислоты и сернокислотных соединений.
Образовавшаяся серная кислота частично
нейтрализуется карбонатом кальция, основной
составной частью известняков, часть считается
свободной и накапливается в шахтных водах,
придавая им кислотный характер. Кислотность
подземным водам придают также угольная
и гуминовая кислоты. Кислотные воды при
разведке угольных месторождений, как
правило, не встречаются, а возникают в
определенной горно-геологической обстановке
при ведении горных работ. По А.В. Докунину,
Л.С. Докукину и Л.С. Докукиной (16) кислотные
воды не появляются при разработке наклонных
пластов с сернистостью до 2,5 %; при разработке
одиночных пластов угля средней мощности
с содержанием серы более 2,5-3 % (пласт малозольный,
а непосредственная кровля сложена песчаниками
и известняками) появление кислых вод
возможно. При выемке тонких пластов, с
сернистостью более 3,5 %, такие условия
создаются.
Увеличение
мощности пласта и угла падения
способствует образованию кислых
вод. Снижает кислотность подземных
вод высокая зональность пласта, содержание
в зоне большого количества окислов алюминия,
наличие в кровле мощных толщ глинистых
пород. При разработке горизонтальных
пластов сернистых углей с наличием в
кровле аргиллитов, кислые воды вообще
не появляются. Приток кислых шахтных
вод зависит также от времени года. Особенно
опасны паводки. На мелких шахтах этот
период длится обычно 10-20 дней, на глубоких
до 30-45 дней.
Для
нейтрализации кислых шахтных
вод на незначительной площади
их распространения применяют негашеную
известь. Рекомендуется производить также
предварительное осушение очистных площадей
и избегать сброса кислых шахтных вод
на нижние горизонты через выработанное
пространство в действующие горные выработки.
С глубиной окислительная обстановка
сменяется восстановительной, где образуются
зоны метановых вод повышенной минерализации.
Для шахт Донецкого бассейна А.И. Кравцов
и др. [12] установили следующую гидрохимическую
вертикальную зависимость: 1) зона гидрокарбонатно-кальциевых
слабо минерализованных вод (до глубины
около 50 м); 2) зона гидрокарбонатно-сульфатно-кальциево-натриевых
вод более высокой минерализации (за счет
выщелачивания сульфатов из зоны окисления);
3) зона сульфатно-натриевых вод; 4) зона
метановых вод гидрокарбонатно-натриевого
состава; 5) зона гидрокарбонатно-хлоридно-натриевых
вод, повышенной минерализации – до 3 г/л
и более (глубины свыше 400 м). Таким образом,
минерализация шахтных вод всегда превышает
минерализацию подземных вод на тех же
глубинах распространения, не вскрытых
горными выработками в результате их взаимодействия
с шахтной атмосферой, горными породами,
угольной пылью, креплением и шахтным
оборудованием и пр. Контрольные вопросы
1. Перечислите основные виды горно-геологических
явлений, возникающих при подземной разработке
угля; 2. Охарактеризуйте процесс сдвижения
горных пород над выработанным пространством;
3. Охарактеризуйте понятие «горное давление»,
объясните сущность этого процесса; 4.
Какие инженерно-геологические явления
возникают в результате проявления горного
давления? 5. Объясните сущность газодинамических
явлений в горных выработках; 6. Охарактеризуйте
процесс обрушения горных пород в выработанное
пространство. Дайте определение понятий
ложная, непосредственная и основная кровли;
7. Объясните сущность процессов вывалов
горных пород, разуплотнения и расслаивания,
выдавливания (пучение), отжима, оседания
пород, их влияние на ведение горных работ.
6.2 Гидрогеологические,
инженерно-геологические условия
вскрытия и разработки угольных
месторождений Донбасса Общие гидрогеологические
и инженерно-геологические условия каменноугольных
месторождений предопределяют не только
расположение шахтных стволов и способы
вскрытия, но и в значительной мере способы
разработки и мероприятия по технике безопасности
при проведении горных выработок.
Угольные
месторождения Донецкого бассейна
характеризуются рядом специфических
особенностей горно-геологических
условий разработки. Обширное площадное
распространение тел полезного
ископаемого (пластов или залежей)
при малой их мощности, наклонное залегание,
сравнительно большая глубина зоны выветривания
(средняя глубина – 60 м) и крепость вмещающих
пород делают целесообразным разработку
углей закрытым способом, даже на площади
обнаженного карбона, как наклонными,
так и вертикальными стволами. Инженерно-
геологические условия проходки стволов
по каменноугольным отложениям весьма
разнообразны. Немаловажное значение
при этом имеют стратиграфический и петрографический
факторы, степень метаморфизма пород и
углей, вторичные постдиагенетические
изменения пород. Выветрелость пород.
От мощности зоны выветривания и степени
выветрелости горных пород зависит решение
ряда практических задач по обеспечению
устойчивости горных выработок. Глубина
зоны выветривания изменяется в значительных
пределах в зависимости от состава пород,
способности их к выщелачиванию, эпигенетическим
преобразованиям, степени метаморфизма.
В результате
наблюдений установлено, что увеличение
мощности выветрелой зоны прослеживается
по направлению к долинам рек
на площади открытого Донбасса и общее
ее уменьшение под покровом мезо-кайнозойских
отложений.
В среднем
глубина зоны выветривания пород
Донбасса составляет 30-60 м, максимальная
до 100 м. Скорость образования
зоны выветривания в горных
выработках в слабых песчаниках,
алевролитах, аргиллитах, некоторых известняках
измеряется десятками сантиметров в год.
Наиболее интенсивно выветривание в участках
тектонических нарушений, зонах трещиноватости
и различных форм водопроявлений. Главным
внешним признаком выветривания пород
в горных выработках является интенсивность
их осыпания из кровли и стенок.
Вторичные
изменения горных пород. Наряду
с тектонической трещиноватостью
при ведении горных работ под
влиянием внутренних сил сжатия
и растяжения образуется нетектоническая.
Такие трещины (усыхания, напластования,
выветривания и пр.) весьма разнообразны
и встречаются повсеместно. В подземных
выработках наиболее часто они устанавливаются
на глубинах 250-300 м и более от поверхности
в кровле, почве, стенках и забое. Протяженность
искусственных трещин небольшая (1-3 см),
ширина – от долей мм до 1-2 мм. Мощность
зоны трещиноватости может достичь больших
значений. Как правило, чем выше прочность,
крепость пород и больше мощность слоев,
тем меньше их трещиноватость. Например,
в Красноармейском районе в кровле очистных
выработок эта зона составляет 17-25 м, в
почве 5-10 м, в Донецко-Макеевском районе
соответственно 11-26 м и 8-10 м, в Чистяково-Снежнянском
10-55 м и в 20 м.
В очистных
выработках искусственные трещины
обычно обуславливают обрушение пород
в кровле и их пучение в почве. Они способствуют
также проявлению ложной кровли, образованию
вывалов, сдвижению блоков пород, интенсивному
проявлению горного давления, деформации
крепи. Причем, при наличии естественной
трещиноватости разрушение пород резко
возрастает.
Структурные
особенности. Важным фактором
при изучении структурных особенностей
является мощность слоев, прослоев
и линз угля, а также вмещающих
и покрывающих пород.
В горной
практике слои угля по мощности
принято делить на: а) весьма тонкие
– до 0,7 м; б) тонкие – 0,7 – 1,2 м; в) средней
мощности – 1,21 – 3 м; г) мощные – 3,5 м
Рабочими
пластами считаются такие, которые
по мощности, строению и содержанию
угля целесообразно разрабатывать
в данном конкретном случае.
Метаморфизм
пород угленосной толщи. Проходка шахтных
стволов в значительной мере определяются
степенью метаморфизма пород угленосной
толщи. Угли и вмещающие их породы в геологическом
разрезе образуют единый комплекс осадочных
образований. Процесс их изменения протекает
одновременно, но проявляется неодинаково
в связи с различным вещественным их составом.
Принято считать, что первая стадия углефикации
– превращение торфа в бурый уголь – это