Геологія і геохімія горючих копалин: загальнодержавний науковий журнал.-Львів: №4 (105) 1998
УДК 550.83:622.841.2
ИССЛЕДОВАНИЯ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ И ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ПОДРАБОТАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ ДОНБАССА МЕТОДАМИ ЭЛЕКТРОРАЗВЕДКИ
В.В.Туманов, В.Т.Умрихин
Изложены результаты применения методов электроразведки для оценки и контроля гидрогеологических и инженерно-геологических условий на подработанных территориях Донбасса. Исследования выполнялись на полях действующих и погашенных шахт, представительных породных отвалах, плотине водохранилища. Основной объем информации об изменениях гидрогеологических и инженерно-геологических условий в процессе подработки получен по материалам вертикальных электрических зондирований.
Разработка угольных месторождений подземным способом, как это имеет место в Донбассе , приводит к нарушениям равновесного состояния массивов горных пород: раскрытию естественных трещин и дополнительному трещинообразованию, миграциям воды и газа в горные выработки и на дневную поверхность. Вызываемые подработкой изменения гидрогеологических и инженерно-геологических условий на шахтных полях и прилегающих территориях влекут за собой целый ряд негативных явлений - исчезновение рек и водоемов, истощение запасов подземных вод, рост их минерализации и ухудшение качества, загрязнение подземных и поверхностных вод, просадка дневной поверхности, подтопление и заболачивание подработанной поверхности земли, образование дефектов плотин гидротехнических сооружений и
т.д. Существенно ухудшают гидрогеологическую и инженерно-геологическую обстановку на шахтных полях породные отвалы угольных шахт и обогатительных фабрик.
На угледобывающих предприятиях Украины практически отсутствует учет влияния их деятельности на изменения гидрогеологических и инженерно-геологических условий окружающей среды, в результате чего эти предприятия терпят значительные убытки из-за непредвиденных затрат на рекультивацию земель, строительство дренажных сооружений, отселение из населенных пунктов, пострадавших в результате деятельности шахт и т.п.
Специальные гидрогеологические и инженерно-геологические исследования проводятся, как правило, при возникновении аварийных ситуаций с помощью традиционных методов и средств, включающих бурение скважин , опытные откачки, отбор проб и образцов, лабораторные исследования и т.п. В благоприятных горно-геологических условиях традиционные методы дают вполне удовлетворительные результаты, в сложных условиях (тектонические нарушения, трещины, пустоты и т.д.) они эффективны из-за невозможности в силу экономических и технических причин обеспечить необходимую детальность исследований гидрогеологической и инженерно-геологической обстановки на подработанных территориях . Использование методов полевой геофизики, в частности, электроразведки позволяет в большей степени преодолеть этот недостаток при незначительных затратах времени.
В УкрНИМИ накоплен определенный опыт применения методов электроразведки для оценки и контроля гидрогеологических и инженерно-геологических условий на подработанных территориях Донбасса.
Геофизические исследования проводились на полях действующих шахт “Восточная”, “Южно-Донбасская” №1, погашенной шахты им.Лотикова, представительных породных отвалах шахт “Украина”, им. Стаханова, “Октябрьская”, на плотине Верхне-Кальмиусского резервного водохранилища и других объектах. Использовались электроразведочные методы вертикальных электрических зондирований (ВЭЗ), симметричного и дипольного электропрофилирования (СЭП, ДЭП), электропрофилирования способом срединных градиентов (СГ), естественного поля в модификациях потенциала и градиента потенциала. ВЭЗ выполнялись в основном трехэлектродной установкой АМN , начальный разнос АО которой составлял 1,39 м, в процессе измерений размеры разносов АО возрастали в геометрической прогрессии с
k =1,39. Размеры приемной линии МN 1,0, 5,0 и 10,0 м. Максимальный разнос и шаг зондирований по профилям, параметры установок СЭП, ДЭП, СГ выбирались исходя из конкретно решаемых геологических задач. Ниже приводятся некоторые из результатов исследований.
На поле шахты “Восточная” методы электроразведки использовались для оценки изменений гидрогеологических условий верхней части разреза в процессе подработки долины реки Грузская горными работами по угольному пласту h 4 , средняя глубина разработки которого составила 580,0 м. Экспериментальные исследования проводились в комплексе с маркшейдерскими и геологическими наблюдениями. Были выполнены два цикла наблюдений с интервалом шесть месяцев (осень - весна). В качестве электроразведочных профилей использовались профильные линии маркшейдерских наблюдательных станций, пересекавшие выходы под наносы Марковского надвига и его ветвей.
Электроразведочные исследования методами ВЭЗ выполнялись трехэлектродной установкой с разносами АО 1,39 - 194,0 м, СЭП - установками А5,0М5,0N 5,0В и А20,0М5,0N 20,0В, ДЭП - двухсторонней осевой установкой А5,0В13,9М5,0N 13,9А5,0В. Расстояния между точками ВЭЗ на профилях 10,0 м, шаг измерений установками электропрофилирования 5,0 м. Электроразведочные материалы сопоставлялись с данными геологических и маркшейдерских работ.
По результатам комплексных исследований геологическими, электроразведочными и маркшейдерскими методами выявлен ряд особенностей, отражающих геологическое строение участка, и получены данные об изменениях параметра в процессе сдвижения горных пород. Основной объем информации об изменениях кажущегося сопротивления по горизонтали и вертикали разреза в проце ссе подработки дали материалы ВЭЗ.
Материалы электропрофилирования рассматривались как вспомогательные и были использованы для уточнения положения выходов под наносы Марковского надвига и его ветвей.
На представительных породных отвалах шахт электроразведочные исследования выполнялись методами ВЭЗ, СЭП, СГ и естественного поля. Поскольку на всех отвалах отмечались водопроявления в виде высачивания на откосах, задачами геофизических исследований были: оценка уровней отвального (в теле отвала) и первого от дневной поверхности водоносных горизонтов и дифференциация литологической структуры отвалов по геофизическим параметрам. Геофизические исследования проводились по профилям, проложенным как на телах отвалов, так и у их оснований. Наибольший объем информации получен по материалам ВЭЗ.
Основные результаты выполненных исследований сводятся к следующему:
отмечается неравномерность водонасыщения пород отвального массива как по глубине, так и по площади;
не выявлены признаки, которые бы указывали на существование в телах отвалов четко выраженных отвальных водоносных горизонтов в общепринятом понимании данного термина;
в массиве пород, находящихся в условиях естественного залегания, по материалам электрозондирований уверенно отмечается первый от поверхности водоносный горизонт, фиксируется уровень грунтовых вод.
Электроразведочные исследования на плотине Верхне-Кальмиусского резервного водохранилища выполнены после завершения процесса сдвижения под ней горных пород Плотина была подработана в 1969-1986 гг. горными работами по пласту n 1 мощностью 1,70-1,95 м. Средняя глубина разработки пласта 580,0 - 630,0 м.
До начала подработки в 1969 г. плотина эксплуатировалась в проектном режиме, однако с проведением в 1969-1978 гг. горных работ, вызвавших фильтрацию, обрушение и т.д., в целях сохранения ее от полного разрушения пришлось понизить горизонты воды на 5,0 м, т.е. уменьшить проектную мощность водохранилища.
С 1970 г. по настоящее время ведутся ежедекадные наблюдения за уровнем воды в теле плотины и нижнем бьефе водохранилища по 80-90 пьезометрам, установленным на наблюдательных створах. Четко прослеживается зависимость: при повышении уровня воды в верхнем бьефе повышается уровень в пьезометрах и наоборот.
В условиях завершившегося процесса сдвижения из-за некачественного устройства сопряжения плотины с основанием и перераспределения напряжений в теле плотины из-за подработки процесс фильтрации воды из чаши плотины в нижний бьеф наблюдался и на момент проведения электроразведочных исследований.
Задачей электроразведочных исследований было определение места фильтрации воды из чаши плотины в нижний бьеф через тело последней. Электроразведочные профили на территории водохранилища были проложены по гребню плотины и в нижнем бьефе. Расстояние между ними составляло 50м. Длина профилей ВЭЗ составила по 320 м, расстояния между точками зондирований 10 м. ВЭЗ выполнялись трехэлектродной установкой с АО 1,39 - 270 м. По тем же профилям было проведено электропрофилирование симметричными установками А4,0М4,0N 4,0В и А50,0М10,0N 50,0В, шаг измерений составлял 4,0 м.
Методы электроразведки могут быть успешно применены для оценки и контроля гидрогеологических и инженерно-геологических условий на подработанных территориях Донбасса. Определяющим является метод ВЭЗ, методы электропрофилирования используются как вспомогательные.
Украинский научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт горной геологии, геомеханики и маркшейдерского дела (УкрНИМИ)
Авторы В. Туманов,В. Умрихин