CC BY
63
1993
ИЗВЕСТИЯ УРАЛЬСКОГО ГОРНОГО ИНСТИТУТА
СЕРИЯ: ГЕОЛОГИЯ И ГЕОФИЗИКА
Вып. 2
ГИДРОГЕОЛОГИЯ и ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ
УДК (556.3 + 624.131) : 470.5
И. В. Абатурова, Э. И. Афанасиади, О. Н. Грязное, О. М. Гуман, С. Г. Дубейковский, В. П. Новиков, С. В. Палкин, Л. П. Парфенова
ПРОБЛЕМЫ ГИДРОГЕОЛОГИИ, ИНЖЕНЕРНОЙ ГЕОЛОГИИ И ГЕОЭКОЛОГИИ ПРИ РАЗВЕДКЕ И ЭКСПЛУАТАЦИИ МЕСТОРОЖДЕНИИ ТВЕРДЫХ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ НА УРАЛЕ
История промышленного освоения горноскладчатого Урала насчитывает свыше 2,5 веков и связана с открытием и эксплуатацией железорудных, меднорудных, а позднее хромитовых, золоторудных, угольных, редкометальных и нерудных месторождений. В настоящее время из его недр добывается более 50 видов минерального сырья. Наиболее активно разрабатываются месторождения Среднего, Южного, отчасти Северного Урала в промышленных центрах Свердловской, Челябинской, Пермской и Курганской областей.
Длительная эксплуатация многочисленных месторождений разнообразных полезных ископаемых, их технологический передел, урбанизация территорий обусловили формирование на Урале провинциальной геоэкологической системы с отчетливой поясовой зональностью. Последняя обусловлена минерагенической специализацией и промышленным освоением региональных структур Предуралья на горно-химическое сырье и уголь, синклинорных зон эвгеосинклинальной области на железо, медь, хром, никель, золото, алюминий, антиклинорных зон на редкие металлы, нерудное сырье; наложенных структур восточного склона на уголь и железо. Во всех зонах с той или иной интенсивностью разрабатываются строительные материалы. Оптимальные оценки гидрогеологических, инженерно-геологических и геоэкологических условий месторождений на стадиях разведки и прогноз их развития при вскрытии полезных ископаемых и эксплуатации горных предприятий имеют принципиальное значение для проектирования наиболее эффективных систем, способов разработки, технологий добычи и переработки минерального сырья.
Основные проблемы гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии при разведке и эксплуатации месторождений твердых полезных ископаемых на Урале могут быть сформулированы следующим образом: влияние гидрогеологических обстановок на условия разработки месторождений, качество минерального сырья и полноту его извлечения, изменение устойчивости пород в горных выработках; прогноз водопри-токов и обустройство эффективных дренажных систем; питьевое и техническое водоснабжение, использование дренажных вод; охрана подземных вод от истощения и загрязнения; влияние геологических усло-
Пий на выбор систем и способов разработки месторождений; оценка и прогнозирование техногенной активизации инженерно-геологических процессов и явлений при строительстве и эксплуатации горных предприятий; инженерная петрология метасоматнтов; оценка и прогнозирование роли анизотропии инженерно-геологических условий на изменение напряженно-деформационного состояния массивов горных пород при их вскрытии горными работами; оценка и прогнозирование техногенных геохимических процессов в выработанном пространстве массивов горных пород, отвалах, хвосто- и шламохраннлищах, дренажных водах; полнота извлечения н комплексное использование полезных ископаемых (безотходная технология); оценка и прогнозирование загрязнения окружающей среды вследствие разработки полезных ископаемых; проблемы рекультивации.
Рассмотрим эти вопросы на примерах разведки и эксплуатации месторождений разных видов и промышленно-генетических типов минерального сырья, размещенных в различных региональных структурах.
Рассматриваемая территория по современной схеме гидрогеологического районирования размещается на площади четырех крупных бассейнов подземных вод первого порядка: Восточно-Русского и Пред-уральского артезианских; Большеуральского сложного бассейна коро-во-блоковых (трещинно-пластово-блоковых) вод; Западно-Сибирского артезианского бассейна. В инженерно-геологическом отношении по [3] в пределах Большого (геосинклинально-складчатого) Урала выделены Западно-Уральский, Центрально-Уральский, Восточно-Уральский, Магнитогорский и Урало-Тобольский регионы, соответствующие главным региональным структурам I и II порядков.
Указанные региональные структуры имеют различное геолого-тектоническое строение, отличаются геоморфологическим своеобразием, орографическими и гидрографическими условиями, а также степенью гидрогеологической раскрытостп слагающих их водоносных горизонтов и комплексов. В сумме эти отличия природной обстановки создают в каждом из бассейнов своеобразные гидрогеологические условия формирования ресурсов и запасов подземных вод, инженерно-геологические и гидрогеологические условия вскрытия и отработки месторождений твердых полезных ископаемых.
Для Восточно-Русского и Предуральского артезианских бассейнов характерны платформенные условия формирования подземных вод в мощной (до 2 км) осадочной толще палеозоя, этажное расположение водоносных горизонтов и комплексов, четкая вертикальная гидродинамическая и гидрохимическая зональность. Верхней части разреза до глубин 150—200 м свойственны: фациальная невыдержанность толщ; зависимость водоносности пород от литолого-структурных и геоморфологических условий проявления и интенсивности иеотектонических движений; увеличение минерализации подземных вод с глубиной; наличие локальных разгрузок высокоминерализованных вод глубоких горизонтов. В пределах открытых гидрогеологических структур Пермско-Баш-кирского свода кунгурско-артинские гипс-ангидритовые и карбонатные осадки характеризуются сильной закарстованностыо. Этим обусловлен интенсивный водообмен, высокая, но неравномерная водообилькость и пестрый гидрохимический состав подземных вод. Наряду с пресными гидрокарбонатнымн водами значительное развитие получают воды с высоким содержанием сульфатов и повышенной общей жесткостью.
В Уральской системе бассейнов распространены трещинные, трещин-но-жильные и трещинно-карстовые безнапорные водоносные горизонты и комплексы, воды которых, как правило, формируются в границах поверхностных водосбросов, образуя небольшие бассейны стока. Водоносность связана с двумя видами трещиноватости. Первый представляет
собой региональную зону трещиноватости пород в коре выветривания. Мощность ее варьирует от 30—50 м в интрузивных и метаморфических образованиях до 80—100 м, редко более — в карбонатных породах. По этой зоне в естественных условиях осуществляется движение подземного стока к зонам разгрузки, совпадающим на местности, как правило, с долинами рек и эрозионными врезами. Второй вид трещиноватости, выступающий обычно в виде объекта поиска, разведки и строительства водозаборов подземных вод, представляют линейные зоны тектонических нарушений, контактов разнородных пород, жильных полей. Мощность зон трещиноватости достигает 150—200 и более метров, по простиранию они часто прерывисты, нередко выражены в рельефе и сопровождаются развитием мощных линейных кор выветривания. Интенсивный водообмен определяет развитие в Уральской зоне складчатости пресных и ультрапресных вод. Вертикальная гидрохимическая зональность, как правило, отсутствует, а по площади проявляется в соответствии со сменой климатических и ландшафтных зон, литологического состава водовмещающих пород. В Западно-Уральской зоне линейной складчатости она нарушается за счет подтока соленых и солоноватых вод Предуральского артезианского бассейна.
Западная окраина Западно-Сибирского артезианского бассейна по гидрогеологическим условиям представляет собой двухэтажную структуру. Верхний этаж сложен морскими и континентальными отложениями верхнего мезозоя и палеогена. Для него характерны платформенные условия формирования подземных вод водоносных горизонтов и комплексов в осадках олнгоцен-четвертичного возраста, палеогена и верхнего мела. Нижний этаж, образующий фундамент бассейна, сложен дислоцированными палеозойскими и нижнемезозойскими породами, представляя восточную, погребенную часть Уральской геосинклинали. Для бассейна в целом свойственна неравномерная водообильность пород основных водоносных комплексов, сложные условия гидравлической взаимосвязи их между собой в единой водонапорной системе артезианского бассейна, сложные гидрохимические условия.
Природные особенности региональных структур определяют своеобразие гидрогеологических и инженерно-геологических условий месторождений твердых полезных ископаемых. Развиваемый нами генетический подход к изучению и оценке месторождений позволил установить основные закономерности формирования гидрогеологических и инженерно-геологических условий ряда крупных месторождений Урала — Верхнекамского калийных солей, Светлинского золоторудного, бокситов СУБРа, Баженовского хризотил-асбеста, Высокогорского, Осокино-Александровского, Гороблагодатского и Серовского железорудных,
История тектонического развития горно-складчатой системы Большого Урала от архейско-раннепротерозойских реликтовых и в значительной степени переработанных блоков фундамента, через рифеиды западного склона и уралиды восточного склона до позднепалеозойской стабилизации подвижных зон и позднепалеозойской — мезозойской текто-но-магматической активизации консолидированных структур обусловили линейно-блоковую мозаику главных тектонических подразделений 1 и II порядков. Разнознаковые и разновеликие амплитуды перемещений земной коры в геологической истории вызвали распределение и перераспределение напряжений в массивах скальных пород, интенсивные процессы мезокайнозойского выветривания и денудации определил! развитие элювиальных образований, покровно-осадочного чехла терри-генных отложений, мощное проявление карста и других геодинамических процессов и явлений, продолжающихся и в настоящее время.
Массивы магматических месторождений сложены прочными скальными породами при незначительном развитии элювиально-делювиаль-
пых образований. Главный негативный фактор, снижающий устойчивость массивов,— их трещиноватость. Подземные воды не оказывают существенного влияния на изменение свойств горных пород и условий отработки месторождений.
Инженерно-геологические особенности контактово-метасоматических (скарновых) месторождений определятся сложностью («поликомпо-нентностью») их геологического строения — развитием вулканогенно-осадочных (терригенных, терригенно-карбонатных, карбонатных) слоистых пород, в различной степени закарстованных, прорывающих их интрузивных комплексов основного, субщелочного, кислого состава, даек и жил, разномасштабных разломов, рудных скарнов, наличием линейных и площадных кор выветривания, элювиально-делювиальных образований значительной мощности, умеренной обводненностью по сети разрывов к трещин, карстовых полостей. Такая ситуация вызывает осложнения в устойчивости бортов карьеров, напряженное состояние и удароопасные обстановки в подземных горных выработках, особенно на больших глубинах.
Метаморфогенные месторождения отличаются линейно-блоковой анизотропией геологических и инженерно-геологических свойств массивов, регламентированной сланцеватостью, разгнейсованностью, дислоциро-ванностью, трещиноватостью, минеральным составом горных пород, развитием разломов, метасоматнческих процессов. Им также свойственны коры выветривания и элювиально-делювиальные образования.
Гидротермальные месторождения, развиваясь в массивах скальных горных пород различного состава и происхождения (интрузивных, вулканогенных, осадочных, метаморфических), как правило, в значительной мере тектонически нарушенных и метасоматически переработанных, характеризуются сложными гидрогеологическими и инженерно-геологическими условиями. В зоне гипергенеза формируются мощные коры выветривания линейного и площадного типов, элювиально-делювиальные комплексы различной мощности.
Осадочным месторождениям твердых полезных ископаемых различного генезиса и месторождениям коры выветривания свойственны сложные гидрогеологические и инженерно-геологические условия. Одним из ведущих региональных факторов инженерно-геологических условий Урала является развитие элювиальных грунтов, слагающих верхнюю часть массивов большинства месторождений.
Анализ геологических рбстановок формирования месторождений различных генетических типов позволяет выделять простую (моногенную) и сложную (полигенную) анизотропию инженерно- и гидрогеологических условий массивов горных пород. Первая обусловлена одним-двумя факторами (слоистость, карст, состав пород, трещиноватость, метасоматическая зональность, обводненность и др.), вторая вызвана проявлением нескольких факторов. В инженерно-геологическом отношении отражением анизотропии служит неоднородное распределение напряженно-деформационного состояния массивов горных пород, определяющего условия разработки месторождений.
В Предуральском краевом прогибе особое место занимает Верхнекамское месторождение калийных солей, представляющее собой многопластовую залежь в верхней части мощной толщи галогенных отложений кунгурского яруса. Месторождение вытянуто в меридиональном направлении на 140 км при максимальной ширине 42 км. Площадь развития калийных солей — 3750 км2. Месторождение подстилается слоистой толщей каменной соли мощностью около 300 м. В гидрогеологическом отношении она является надежным водоупором. Калийная залежь подразделяется на нижнюю сильвинитовую и верхнюю сильвинито-карнал-литовую зоны. Над толщей солей залегают породы уфимского яруса
верхней пермн (мергели и глины с прослоями гипса, ангидрита и каменной соли, терригенные пестроцветные отложения), венчающие разрез верхнего регионального водоупора. Надсоляные отложения представляют собой регионально развитый водоносный комплекс гидравлически связанных между собой аллювиального, терригенно-карбонатного и мергельного водоносных горизонтов. Состав подземных вод изменяется от пресных гидрокарбонатно-кальциевых с минерализацией 0,2—0,3 (до 0,5 г/дм3) в зоне активного водообмена, совпадающей с местным эрозионным врезом, до концентрированных (300 и более г/дм3) хлор-нат-риевых рассолов в зоне затрудненного водообмена над «соляным зеркалом» в соляно-мергельной толще.
Часть водоупорных пород, включающая соляные слои над продуктивными пластами калийных солей и переходную зону соляно-мергельной толщи, получила название водозащитной толщи (ВЗТ). Ее мощность на месторождении увеличивается от первых десятков метров на куполах до 170—180 м в прогибах соляных структур. Минимально допустимая мощность ВЗТ при отработке продуктивных пластов принята на месторождении равной 60 м.
Нарушение сплошности ВЗТ в любой точке месторождения неизбежно приведет к затоплению горных выработок. Так случилось при аварии в 1986 г. на Балахонцевском участке, отрабатываемом Третьим Березниковским рудоуправлением. Объемы затопленного пространства составили около 15 млн. м3 при величине водопритока на заключительном этапе аварии (через 2—3 месяца после ее начала) до 10 тыс. м3/ч. Позднее в результате взрыва метана, накопившегося в карстовой полости над местом прорыва подземных вод, произошло разрушение массива с образованием на поверхности провальной воронки площадью 2 га и глубиной до зеркала подземных вод 45 м. В качестве основной причины поступления рассола в горные выработки явился процесс образования техногенных трещин расслоения в ВЗТ. В результате использования системы с податливыми целиками произошло ослабление подработанного массива в целом, а за счет порядка отработки шахтного поля от участков с минимальным числом сольсодержащих ритмов в соляномергель-ной толще к площадям с большим их количеством — уменьшение мощности самой ВЗТ над аварийным участком на 40 м.
Таким образом, важнейшим фактором горно-геологических условий отработки Верхнекамского месторождения являются его гидрогеологические особенности. С учетом этого фактора успешная отработка месторождения в целом возможна только при исключении деформаций в налегающей толще пород, приводящих к нарушению сплошности ВЗТ, что может быть достигнуто при сохранении полноты выемки полезного ископаемого только закладкой выработанного пространства твердеющими смесями и порядком ведения очистных работ, учитывающим особенности геологического строения водоупора.
В результате строительства и работы калийных предприятий в рассматриваемом промрайне сложилась сложная экологическая обстановка: изымаются значительные площади земель, происходит засоление почвы, поверхностных и подземных вод, над отработанными пространствами деформируется земная поверхность, загрязняется атмосферный воздух. Оздоровление окружающей среды промрайона возможно путем внедрения в технологию добычи и переработки солей комплекса мер: использование в качестве твердеющей закладки выработанного пространства отходов калийного производства, использование попутно извлекаемой каменной соли, переход к оборотной схеме водоснабжения при получении конечного продукта и избавление от избыточных технологических рассолов путем их выпаривания или использования при законтурном обводнении рядом расположенных нефтяных залежей.
13 Заказ 134
193
В пределах горноекладчатого Урала месторождения твердых полезных ископаемых приурочены преимущественно к комплексам в различной степени трещиноватых скальных пород. Осложняющими факторами их гидрогеологических и инженерно-геологических условий являются обводненные коры выветривания линейного типа, приуроченные к зонам тектонических нарушений, п интенсивно закарстованные массивы карбонатных пород. Влияние этих факторов на условия отработки рассмотрим на примерах Светлинского месторождения золота, бокситов СУБРа, Баженовского месторождения хризотил-асбеста и Высокогорского скарново-магнетитового месторождения.
Геологическая позиция Светлинского месторождения определяется его приуроченностью к одноименной грабен-синклинали раннекар-бонового заложения, которая фиксирует шовную зону сопряжения Ара-мильско-Сухтелинского мегасинклинория и Челябинско-Суундукского мегантиклннория Восточно-Уральского поднятия. Это определяет весьма напряженную тектоническую обстановку в районе месторождения. В геоморфологическом отношении оно находится в северной части практически замкнутой Светлинской депрессии с площадью водосбора 20 км2. В геологическом строении депрессии принимают участие гнейсо-слан-цевая толща ордовик-нижнесилурийского возраста, наложенные угли-сто-терригенно-карбонатная и вулканогенно-терригенная толщи визей-ского возраста (на западе) и терригенно-вулкансгенная толща нижнего— верхнего силура (на востоке). На месторождении установлена такая последовательность эпигенетических процессов: 1) березитизация-лиственитизация; 2) сиалический плутонометаморфизм эпндот-амфи-болитовой фации с образованием кварц-биотит-амфиболовых метасома-титов; 3) грейзенизация; 4) дислокационный метаморфизм уровня зеле-носланцевой фации, обусловивший рассланцеванне ранее возникших эпигенетических пород; 5) гидротермальная аргиллизацня с сопряженным золотым оруденением в зонах прожилкового окварцевания и мета-соматических кварцевых жилах; 6) гипергенез с формированием кор химического выветривания [6]. Максимальная мощность кор выветривания (до 400 м) отмечается в контактовых частях мраморов и узлах пересечения тектонических нарушений и пространственно совпадает с промышленным оруденением. Коры выветривания обводнены.
На месторождении получили развитие водоносные горизонты в зонах трещиноватости пород коренного субстрата — горизонт зон трещи-новатости некарстующихся пород и трещинно-карстовый водоносный горизонт. Основную роль в обводнении месторождения будет играть трещинно-карстовый горизонт. По химическому составу подземные воды гидрокарбонатно-кальциевые с минерализацией 0,4—0,7 г/дм3, качество их соответствует требованиям ГОСТ 2874—82 «Вода питьевая» по всем показателям.
Технико-экономическими расчетами доказана рентабельная отработка Светлинского месторождения открытым способом до глубины 315 м при условии наклона бортов будущего карьера в корах выветривания под углом не менее 18°, что соответствует устойчивости предварительно осушенных глинистых пород. В этой связи обводненность месторождения выступает в качестве основного фактора инженерно-гео-логических условий его обработки.
Замкнутый характер Светлинской депрессии упрощает задачу прогноза общей величины водопритока методом аналогии по величине эксплуатационного модуля, который в рассматриваемых природных условиях обосновывается величиной 1,8 дм3/с км2. Однако необходимость осушения значительного объема естественных запасов подземных вод в корах выветривания при вскрытии месторождения в строительный период, контроля за эффективностью водопонижения при осушении
призмы возможного оползания в бортах карьера, сложенных глинистыми корами выветривания, и обоснования гарантированной работы будущего водозабора хозяйственно-питьевого назначения потребовала увязки величины водоотбора с распределением напоров подземных вод по площади формирования депрессионной воронки. Эта работа потребовала привлечения гидродинамического метода прогноза на основе математического моделирования. Несмотря на значительный объем гидрогеологических и инженерно-геологических исследований, выполненных на месторождении к настоящему времени, все еще сложной остается задача обоснования опережающего водопонижения глубже 120— 130 м (через 20—25 лет после начала его отработки) как в части вскрытия на глубинах 130—350 м закарстованных трещин с достаточной водо-обильностью, так и в части прогноза поведения на этих глубинах депрессионной воронки. Решение этих вопросов требует целенаправленного сбора и анализа информации о перераспределении напоров подземных вод в процессе водопонижения с увязкой ее в рамках постоянно действующей гидрогеомиграционной модели (ПДГМ), описывающей процессы движения, истощения и загрязнения подземных вод.
Месторождения бокситов СУБРа контролируются размытой, закар-стованной поверхностью известняков нижнего девона, залегая в основании терригенно-карбонатного разреза Эйфеля. Пластообразные залежи бокситов падают на восток под углами 25—45°. Рудный горизонт включает нижний подгоризонт красных и яшмовидных бокситов и верхний подгорнзонт пестроцветных пнритизированных бокситов. Боксито-носная мульда нарушена сбросами и взбросами северо-восточного — субширотного простирания с амплитудами перемещений до 200—400 м.
Главными природными факторами, определяющими инженерно-гео-логические и гидрогеологические условия месторождений, являются высокая закарстованность и обводненность комплексов рудоносных горных пород. Действующая система осушения (дренажные узлы, бетонные каналы) привела к формированию техногенной зоны аэрации глубиной до 500 м и объемом в 22 км3. Откачка подземных вод вызвала резкое оживление карстово-суффозионных процессов. За период разработки месторождений СУБРа (с 1942 г.) средний коэффициент закар-стованности на площади 186 кв. км увеличился с 27 до 32 карстовых форм на 1 кв. км при аномальных отклонениях до 300 форм на 1 кв. км [4]. Система водоотлива СУБРа откачивает в час до 18— 23 тыс. м3 воды.
В условиях естественного состояния массивов карбонатных и терри-генно-карбонатных пород распределение полей напряжений обусловлено структурой массива, их закарстованностью, обводненностью и влиянием приразломных динамических напряжений. Одним из показателей повышенной напряженности может служить дискование керна разведочных скважин. Подземная разработка месторождений и глубокое водопонижение сопровождаются перераспределением полей напряжений, что служит причиной горных ударов. В бокситоносных карбонатных породах СУБРа горные удары происходят с глубины 300—350 м. При этом подмечено, что динамические разгрузки напряжений концентрируются на участках гидрогеологических структур, где напоры снижены до минимальных величин. В то же время в обводненных горных породах (выработках) горные удары не зафиксированы [4].
Важеновское месторождение хризотил-асбеста приурочено к одноименному массиву силурийских гнпербазитов и связано с наложением постмагматических процессов средне-позднекаменноугольного верхисетского комплекса малокалиевых гранитов. Образование хризотил-асбеста вызвано гидротермально-метасоматической серпентиниза-цней ультраосновных пород дуннт-гарцбургитовой ассоциации (дуни-
13"
195
тов, гарцбургитов-перидотитов). Широким распространением пользуются разломы: протяженные крутопадающие меридионального простирания, субширотные и диагональные, пологие поперечные зоны трещино-ватости и рассланцевания. На месторождении выделено 36 крупных залежей. Их длина по простиранию варьирует от 20 м до 4,5 км при изменении мощности от 40 м до 1,4 км. На глубину залежи прослеживаются на протяжении десятков-сотен метров, а в отдельных случаях до 1100 м. Б плане форма залежей неправильная, эллипсовидная или линзообразная; в вертикальном разрезе — трубо- или чашеобразная(для эродированных тел). Залежи характеризуются зональным строением. В центре располагается ядро неасбестоносных серпентиннзированных пироксено-вых дунитов или перидотитов, при их отсутствии — перидотиты с отороченными жилами асбеста. От ядра к периферии прослеживается смена типов асбестоносностн: отороченные жилы, крупная и мелкая сетка, мелкопрожилок, серпентиниты с просечками асбеста. Далее следуют рассланцованные серпентиниты и дайки гранитоидов. Последние фиксируют зоны рудоконтролнрующих разломов. Встречаются залежи с асбестоносностью одного-двух типов [2].
Особенности геологического строения месторождения определили анизотропию его инженерно-геологических условий. Главными факторами явились гидротермально-метасоматическая зональность и структурная нарушенность массива гипербазитов [1]. Дуниты и перидотиты характеризуются высокими значениями прочности на сжатие (/?,■ = 138,8 МПа) и растяжение (/?р = 20,0 МПа). Угол внутреннего трения Ф = 44° при значении удельного сцепленкя С=16,0 МПа. Процесс сер-пентинизации снижает механическую прочность исходных пород: для аноперидотитовых серпентинитов ядер комплексов Rc —103,6 МПа, Ф=43°, лизардитовым серпентинитам свойственны Rc= 92,8 МПа, а у хризотиловых серпентинитов асбестоносных зон Rc=87,7 МПа при Ф = 42°. На фоне гидротермально-метасоматической зональности инже-нерно-геологические условия массива коррелируются с интенсивностью тектонической проработки горных пород—развитием разнонаправленных зон трещиноватости, дробления, рассланцевания, смятия, милонити-зации, даек гранитоидов, зон оталькования и карбонатизации. Поверхностный элювий, техногенно-активизированные процессы выветривания способствуют развитию склоновых процессов (осыпей, оползней, вывалов, обрушений), осложняющих разработку месторождения открытым способом.
Выявленные закономерности позволили создать модель инженерно-геологических условий и на ее основе выполнить инженерно-геологическое районирование Баженовского месторождения, используемое при разработке проектов добычных работ и их реализации.
Высокогорское скарново-магнетитовое месторождение локализовано в зоне юго-восточного секущего контакта Тагильского диорит-сиенитового массива с моноклинально залегающими вулканогенно-оса-дочными породами (андезито-базальтовыми порфиритами, их туфами, известняками) силурийского возраста. Месторождение рассечено многочисленными разнонаправленными дорудпымн и пострудными дайками и осложнено зонами крупных крутопадающих разломов. Разведочными работами выделено 18 рудных тел, сосредоточенных в Западной и Восточной скарново-рудных зонах [5]. Верхняя часть месторождения (до глубины 150 м) характеризуется развитием элювия и коры выветривания, а в карбонатных породах—карста.
Сложному геологическому строению месторождения адекватна полигенная анизотропия его инженерно-геологических условий. Разработка рудных залежей открытым способом и на небольших глубинах подземными работами связана с проблемой выветрелостн и закарстованно-
сти горных пород. Отработка глубоких горизонтов шахтным способом во многом зависит от напряженно-деформированного состояния скального массива. Оценка ведущих инженерно-геологических факторов в этих условиях традиционными методами затруднена. Положительно зарекомендовал себя метод инженерной сейсмометрии, позволяющий получать интегральные характеристики массива горных пород в законтурном пространстве.
При вскрытии массива скальных пород горными выработками проявляется естественная (природная) и техногенная неоднородность механических свойств горных пород как вдоль оси выработок, так и на удалении от них в глубь массива. Изменение напряженного состояния вдоль выработок вызвано разгрузкой напряжений по тектоническим нарушениям, перераспределением напряжений в отдельных блоках в зависимости от петрографических особенностей вскрываемых пород. В законтурном пространстве массива изменение состояния горных пород связано с развитием зон дезинтеграции (нарушения сплошности), возникающих в результате разгрузки естественных напряжений. На участках послойного преобразования упругих деформаций в массиве возможно прогнозировать области разгрузки, а в местах с повышенным значением модуля упругости (9-1М04 МПа) — области концентрации напряжений. При пересечении разломов обнаруживается различное напряженное состояние пород относительно плоскости нарушения: уменьшения до 3-Ю4 МПа в висячем боку при повышенных (до 8-104 МПа) значениях в лежачем боку сместителя.
Инженерно-геологическое районирование скальных массивов возможно осуществить на основе распределения упругих деформаций. Модуль упругости в этом случае может служить критерием оценки напряженного состояния, упругих свойств, трещиноватости горных пород и др. На Высокогорском месторождении установлены 3 класса горных пород в скальных массивах: 1) устойчивые (£=5—7-Ю4 МПа); 2) относительно устойчивые (£=3—5-Ю4 МПа) и 3) неустойчивые (-£<3-104 МПа). Эта информация является полезной при планировании перспективного развития горных работ.
Наиболее сложным в гидрогеологическом и инженерно-геологиче-ском отношениях типом месторождений осадочного генезиса в покровных мезозойских отложениях чехла западной окраины Западно-Сибирской платформы является Серове кое месторождение железных руд. Замарайская депрессия, где находится это месторождение, представляет собой относительно небольшой бассейн субнапорных вод, приуроченный к мезокайнозойской впадине горноскладчатого сооружения. В осадочном чехле депрессии распространены четвертичный, нижне-эоценовый, меловой и палеозойский субнапорные и безнапорные водоносные горизонты и комплексы, образующие в совокупности единую водонапорную систему. Замарайский бассейн служит базисом стока как для безнапорных вод окружающих массивов горноскладчатого Урала, так и для напорных вод тектонических разломов фундамента депрессии.
Месторождение планируется вскрыть и отработать последовательно тремя карьерами. Продуктивная толща бобово-конгломератовых железных руд залегает на глубине до 130 м в основании сложно построенной слоистой системы водоносных и водоупорных горизонтов (комплексов). Степень изученности месторождения на участке карьера № 1 соответствует стадии предварительной разведки. Устойчивость горных пород низкая, что усугубляется высокими гидростатическими напорами в отдельных элементах системы и плывунным поведением песчаных разностей мелового водоносного горизонта. Фактор устойчивости бортов будущего карьера и его уступов предопределяет необходимость вскрытия продуктивной части разреза под обязательной защитой опережаю-
щего водопонпжения. Разобщенность нмжнеэоценового горизонта и мелового комплекса обусловливает автономность дренажных систем в каждом из них. При создании понижений в десятки метров депрессион-ная воронка разовьется до границ Замарайской депрессии, где водоносные горизонты связаны с современной речной сетью.
По результатам математического моделирования установлена сложная динамика водопритоков в карьер 1-й очереди площадью 7 км2 со среднемноголетней величиной около 3200 м3/ч и обоснована система расположения водопонизительных скважин: 124 — на нижнеэоценовый водоносный горизонт при средней глубине 45 м; 15 — на меловой и 10 — палеозойский водоносные комплексы при средних глубинах соответственно 140 и 200 м. Установлена возможность эксплуатации Зама-райского водозабора г. Серова с производительностью 9 тыс. м3/сутки вплоть до начала отработки карьера 3-й очереди, то есть по крайней мере еще на 60—70 лет. Сокращение речного стока в сумме достигнет 930 м3/ч.
Анализ материалов и выполненного моделирования определили направление дальнейших гидрогеологических и инженерно-геологических работ на стадии детальной разведки месторождения ио уточнению гео-фильтрациоинон модели, а также получению исходных данных для прогноза деформации земной поверхности при снятии гидростатического взвешивания пород при водопонижении и по оценке эксплуатационных запасов дренажных вод как попутно извлекаемого полезного ископаемого.
Проблема охраны геологической среды в промышленных районах Среднего Урала чрезвычайно актуальна. Особенно велико негативное воздействие на окружающую среду техногенных ландшафтов, возникающих при разработке медных месторождений. В силу своих геолого-гео-химических особенностей они служат поставщиком активных загрязнителей природной среды халькофильными элементами, многие из которых высокотоксичны (селен, ртуть, кадмий, цинк, медь, никель, кобальт, телур, мышьяк, сурьма). Основными промышленными источниками загрязнения являются отвалы, хвосто-и шламохранилища, шахтный водоотлив.
Природные воды — наиболее динамичный и легко загрязняемый элемент геологической среды. Исследования источников их загрязнения и способов защиты на эксплуатируемых месторождениях были выполнены на Волковском медно-железо-ванадиевом месторождении. Мониторинг включал организованную сеть скважин и постов регулярных режимных наблюдений и опробования. В результате установлено, что основным источников загрязнения поверхностных и подземных вод служат отвалы окисленных и забалансовых руд, продуцирующие высокотоксичные кислые рассолы. Природная защищенность подземных вод на площади месторождения крайне неоднородная и контролируется мощностью, составом и характером распространения делювиальных отложений.
В заключение, обобщая рассмотренные проблемы, сформулируем основные направления дальнейших исследований при разведке и эксплуатации месторождений твердых полезных ископаемых: 1) обеспечение питьевого и технического водоснабжения предприятий, городов и поселков; 2) разработка способов и методов защиты подземных вод от загрязнения и истощения, развитие мониторинга; 3) изучение и прогнозирование гидрогеологических, инженерно-геологических и геоэкологических условий разработки месторождений разных видов и промышлен-но-генетических типов минерального сырья в различных региональных структурах; 4) изучение закономерностей формирования напряженно-деформированного состояния массивов различного генезиса и активизации геодинамических процессов при вскрытии массивов в ходе разработ-
ки месторождений; о) изучение инженерной петрологии метасоматитов; 6) широкое внедрение в гидрогеологических, инженерно-геологических и геоэкологических исследованиях методов математического моделирования на персональных ЭВМ; 7) активное внедрение в практику инженерно-геологических исследований геофизических методов; 8) проведение среднемасштабкого гидрогеологического, инженерно-геологического и геоэкологического районирования территории горноскладчатого Урала, в первую очередь районов интенсивного промышленного освоения; 9) детальное гидрогеологическое, ипжснсрно-геологичеекое и геоэкологическое картирование промышленных центров.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК
1. Алексеев А. Ф., Дубейковский С. Г. Особенности инженерно-геологических условий асбестовых месторождений Урала//Проблемы инженерной геологии в связи с промышленно-гражданским строительством и разработкой месторождений полезных ископаемых: Тезисы V Всесоюзной конференции.— Свердловск, 1984 —Т. 2.— С. 82—86.
2. Баженовское месторождение хризотил-асбеста / Под. ред. К. К. Золоева, Б. А. Попова— М.: Недра. 1985.—271 с.
3. Инженерная геология СССР. Урал, Таймыр и Казахская складчатая область.— М.: Недра, 1990,—4U8 с.
4. Плотников И. И. Гидрогеологические проблемы разработки бокситовых месторождений Урала//Сов. геология. 1985.— № 3.— С. 113—120.
5 Подлесский К. В. Скарны и околорудные метасоматнты железорудных месторождений Урала и Кавказа.— М.: Наука. 1987.—204 с.
6. Савельева К. П., Грязное О. Н.. Костромнн Д. А. Критерии различия гидротермальных метасоматитов аргиллизитовой формации и химической коры выветривания на одном из золоторудных месторождений//Новые данные по золоторудным месторождениям Урала—Свердловск, 1990.—С. 113—118.
УДК 556.3:550.812(470.5)
С. В. Палкин, С. С. Палкин
К ВОПРОСУ О РАЗВЕДКЕ И ЭКСПЛУАТАЦИИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОДЗЕМНЫХ ВОД НА УРАЛЕ
Среди месторождений полезных ископаемых Уральского региона (Свердловская, Пермская, Челябинская, Курганская области) особое место занимают месторождения подземных вод, особенно питьевого назначения. Разведка таких месторождений для водоснабжения населения традиционно занимает важное место среди проблем прикладной гидрогеологии.
Систематические работы в рассматриваемом направлении ведутся уральскими гидрогеологами почти полвека. В 1951 году впервые в нашем регионе были официально утверждены в ГКЗ эксплуатационные запасы подземных вод (для городов Асбеста и Пласта). С тех пор разведано 250 месторождений с запасами более 2500 тыс. м3/сутки (см. таблицу). Результаты выполненных разведочных работ и региональной оценки эксплуатационных запасов показывают, что подземные воды могут и должны играть важную роль в системе водоснабжения наших городов, поселков и предприятий. Правда, за счет их ресурсов в большинстве случаев может быть обеспечена только часть водопотребления, особенно перспективного. Поэтому их использование должно планироваться в комплексе с поверхностными водами. Исключение составляют такие города, например, в Свердловской области, как Ивдель, Северо-уральск, Карпинск, Краснотурьинск, Волчанск, Серов, Михайловск,
