Исследование инженерно-геологических особенностей подрабатываемых участков поля шахты “Южно-Дcонбасская №1” с целью прогноза подтопления.

Research into engineering-geological peculiaritys of undermined areas with aim at prognosis flooding at the field mine “Jugno-Donbasskaya №1”.

Дослідження інженерно-геологічних особливостій підпрацьованих ділянок з цілью прогнозування підтоплення на полі шахти “Південно-Донбаська №1”.

Южный Донбасс – полоса распространения нижнекаменноугольных отложений на юго-западной окраине бассейна, вытянутая на 130 км от ст.Межевая на западе и до с.Старобешево на р.Кальмиус – на востоке. Район охватывает площадь около 2200 км². Территория в целом имеет общий юго-западный уклон.

Юго-западная окраина Донбасса, в пределах которой расположен описываемый район, разбита разломами различной протяженности и ориентировки. Разломы северо-западного простирания. 1-й тип – сбросы с северо-восточным падением плоскостей: Муравский, Сложный и др. Все они падают под углом60^о-80^о с амплитудой от 30-50м до 300-500м. 2-й тип – сбросы с юго-западными опущенными крыльями: Межевский, Никольский и др. Углы падения 60^о-75^о, а амплитуда составляет от 20м до 500м. Этот тип определяет тектоническое строение района. К 3-му типу относятся надвиги: Васильевский и Лесной. Разломы северо-восточного простирания. Прослеживаются, в основном, в восточной части района, где они представлены преимущественно надвигами. К крупным разрывам относятся Войковское смещение и Мануиловский взброс. Наиболее крупным элементом складчатой тектоники является Волчанская синклиналь. Её ось вытянута с юга-запада на северо-восток на протяжении 35км. На западе района наблюдаются складки типа мульд и куполов, в центре – флексуры (Ялынская и др.), на востоке – атиклинали и синклинали.

Подземные воды в Южном Донбассе связаны со всеми стратиграфическими комплексами от докембрийского до четвертичного. Водоносный горизонт докембрийских кристаллических пород приурочен к верхней выветренной зоне мощностью 10-30 м, девонских осадочных – к грубозернистым аркозовым песчаникам. Химическая характеристика вод карбонатной толщи подвержена значительным колебаниям. Сухой остаток изменяется в пределах 1117-3850 мг/л; общая жесткость от 10 до 20 мг*экв. Воды являются в основном сульфатно-хлоридно-натриевыми или кальциевыми. Они большей частью пригодны для питьевого водоснабжения. Воды терригенной толщи нижнего карбона обычно сильно минерализованы и обладают часто высокой жесткостью. Сухой остаток изменяется в пределах 1-6 г/л; общая жесткость от 1-2 до 40 мг*экв. Тип воды или смешанный хлоридно-сульфатно-натриево-кальциевый, или чистый хлоридно-натриевый. Общая минерализация воды свиты С₁³ – 13,9-15,5 г/л (скважина 8000, глубина 625 м, р.Волчья близ Криворожско-Павловского сброса). Минерализация меловых вод от 516 до 2229 мг/л, общая жесткость равна 7-16 мг*экв. Воды гидрокарбонатно-сульфатно-кальциевые. Водоносные горизонты в палеогене и неогене приурочены к мелко- и тонкозернистым пылеватым пескам и отличаются очень слабой водоотдачей. В четвертичных отложениях водоносным является аллювий рек [1]. Зона активного водообмена охватывает комплексы четвертичных, неоген-палеогеновых и меловых отложений, а также выветренную зону нижнекаменноугольных отложений примерно 40-60 м. Характеризуется высоким развитием пресных и слабоминерализированных вод (М=0,3-4 г/л). Мощность зоны составляет 150-300 м.[1,2].

В геологическом строении площади принимают участие кайнозойские, мезозойские и нижнекаменноугольные отложения угольных свит с₁³ и с₁ ² .

Нижнекаменноугольные отложения. Отложения свит с₁² -с₁³ представлены алевролитами, песчаниками, аргиллитами, углями и известняками общей мощностью 1500м. В границы шахтного поля входят 25 угольных пластов, из которых на балансе шахты состоят 9 пластов: с₁₈, с₁₇², с₁₃, с₁₁, с₁₀², с₁₀^2Н,с₆¹, с₄², и в₁. Угольные пласты ,в основ- ном, мощностью 1.0м, кроме пластов с₁₁ и с₁₀², средняя мощность которых достигает 1.43м и 1.35м. В настоящее время шахта разрабатывает пласты с₁₃, с₁₁ и с₁₀². [3].

Площадь шахтного поля расположена примерно в центральной части Южно-Донбасского угленосного района. Простирание отложений карбона, в основном, широтное. Углы падения пород от 4^о до 15^о-18^о.

Поле шахты “Южно-Донбасская №1” относится к Южному гидрогеологическому району. Основным водоносным горизонтом являются трещиноватые мергели верхнего мела с прослоями песчаника крепкого, разнозернистого. Мощность водоносного горизонта варьирует в пределах 80-100м., к юго-западу в районе выхода на поверхность карбона Надвига №1 и Васильевского надвига наблюдается выклинивание меловых отложений. Глубина залегания мергельной толщи в пределах участка изменяется от 45 до 100м. Второй по значению водоносный горизонт приурочен к отложениям палеоген-неогена. Он сложен кварцевыми песками от тонко- до грубозернистых с прослоями пестроцветной глины и крепкого разнозернистого песчаника. Мощность водоносного горизонта варьирует от 20.0 до 70.0м. Водоносный горизонт четвертичных отложений распространён спорадически и хозяйственного значения не имеет. Отложения верхнего мела и палеоген-неогена являются основными источниками водоснабжения в районе. Питание водоносных горизонтов осуществляется за счет инфильтрации атмосферных осадков и поверхностных вод.

Водоприток в шахту составляет 110м^3/ ч. Эта вода сбрасывается в балку Икряную, где находится пруд-отстойник. Размеры его 100x1500м, глубина 2м. На правом берегу балки – колхозная ферма, промстоки которой загрязняют воду в пруде-отстойнике. По полю шахты наблюдаются многочисленные просадки, которые способствуют подтоплению территорий, особенно вблизи промплощадки. В 1990-м году общая площадь подтопленных территорий составила 0.42км², а в 1992-м она увеличилась и составляла 0.495км².

Породный отвал шахты “Южно-Донбасская №1” находится возле промплощадки. Местами отвал горит, внизу – слабый травянистый покров и кое-где деревья. В отвале, по-видимому, образовался отвальный водоносный горизонт; в частности, при обследовании отвала установлены с южной стороны заросли камышом, далее – канава, заполненная водой, которая опоясывает отвал. Основными источниками пополнения запасов подземных вод отвального водоносного горизонта являются атмосферные осадки (инфильтрация) и вода, образующаяся за счет конденсации. В юго-западной части отвала, там, где у его подножья расположено озеро с камышами, наблюдается наиболее обильное вытекание подземных вод из-под отвальных пород; удельный расход q составляет примерно 0.05л/ с. Это установлено только в одном месте, полосой, не превышающей 3-4м. Исходя из этого, можно заключить, что отвальный водоносный горизонт распространен в виде отдельных полос, линз.

На поле шахты “Южно-Донбасская №1” фильтрационные параметры были определены по данным режимных наблюдений и решения обратных задач фильтрации. Расчет фильтрационных параметров, по данным режимных наблюдений, осуществлялся с использованием уровней подземных вод за период с сентября 1990г. по ноябрь 1992г. Основные расчеты производились для водоносного комплекса меловых отложений (гидронаблюдательные скважины режимной сети на мел №№ 248, 249, 250, А-1191/ 1, 7658/ 1, 7660/ 2, А-5696, 7208/ 1).

В результате анализа коэффициентов фильтрации, полученных по данным решения обратных задач фильтрации, можно сказать следующее: наибольшее значение коэффициентов фильтрации меловых отложений зафиксированы в балке Икрянной (1.8-2.9 м/сут); по мере удаления от балки на юг, к промплощадке шахты, коэффициент фильтрации меловых мергелей уменьшается (0.25-0.8 м/сут); увеличение коэффициента фильтрации меловых мергелей наблюдается и северо-западном направлении по вышеуказанной балке (по мере приближения к р. Сухие Ялы); увеличение коэффициента фильтрации меловых мергелей связано с увеличением степени трещиноватости этих пород в районе балки Икряной. Именно здесь меловые отложения наиболее близко подходят к дневной поверхности и существуют наиболее благоприятные условия для инфильтрации осадков; по данным режимных наблюдений в скважинах №№ 248, 249, 250, оборудованных на меловой водоносный комплекс и расположенных в 250-500м от пруда-отстойника в балке Икрянной, данный водоносный комплекс залегает на глубинах 5.86-4.47м от дневной поверхности (ноябрь 1992года), имея абсолютные отметки 139.43-140.07м; несколько выше по абсолютным отметкам залегает здесь водоносный комплекс неоген-палеогеновых отложений. Абсолютные отметки изменяются от 140.24-140.96м, что указывает на возможную подпитку этого водоносного комплекса за счет перетекания из меловых пород.

Метод ВЭЗ выполнялся трёхэлектродной установкой по профилям АВ и СД. Минимальная длина разносов составила 1.39м, максимальная – 375м. Длина измерительной линии МN составляла 1м для интервала разносов 1.39-37.4м и 5м для интервала разносов 26.9-375м. Вынос второго питающего электрода в “бесконечность” осуществляется по перпендикуляру от профилей наблюдений на расстояние не менее 1500м.

Полевые материалы обработаны на персональных компьютерах IBM с использованием специализированных пакетов программ. Комплекс обработки включает: ввод измеренных значений D U (ВЭЗ, СЭП); расчет графиков r _к по профилям наблюдений; осреднение кривых ВЭЗ и построение псевдоразрезов (разрезов r _к) ВЭЗ в масштабе 1:25000; построение графиков r _к СЭП; количественная обработка ВЭЗ и построение геоэлектрических разрезов.

На псевдоразрезах ВЭЗ по профилям АВ и СД значения r _к ВЭЗ изменяется от 8 до 60 Ом.м, т. е. геологический разрез может быть охарактеризован как низкоомный, тем более, что УГВ фиксируется в интервале разносов 3.74-7.2, что по данным рекогносцировачных наблюдений по траншее и в балке Икряной соответствует глубинам 1.5-2.0м. На псевдоразрезах можно выделить три геоэлектрических слоя: первый в интервале разносов 1.39-3.74м (соответствует почвенно-растительному слою), второй в интервале разносов 3.74-194.0м характеризует мощный водоносный комплекс, охватывающий четвертичные и палеоген-неогеновые отложения, относи-тельная однородность значений r _к, связанная с обводненностью отложений, не позволяет разделить четвертичные и палеоген-неогеновые отложения; третий слой в интервале разносов 194.0-375.0м приурочен к нижней части отложений палеогена и частично к верхней части мергельной толщи.

На псевдоразрезах можно выделить четыре аномальных участка. По профи-лю АВ в интервалах 574.0-915.0м и 2063-2635м, считая от первой точки ВЭЗ (от начала профиля). На профиле СД две аномальные зоны: в интервалах 574.0-915.0м и 2750-3000м, считая от начала профиля (точки Д). Выделенные аномальные зоны – зоны повышенной трещиноватости (ЗПТ) с пониженным, по сравнению с остальной частью разреза, водонасыщением. Наиболее интенсивная ЗПТ, характеризующаяся субвертикальным распространением изолиний r _к по всему разрезу, отмечается на профиле СД в интервале 375.0-875.0м, считая от точки Д.

Геоэлектрические разрезы характеризуются как трёхслойные за исключением ВЭЗ-13 на профиле СД. Первый геоэлектрический слой характеризуется мощностью 1.0-1.5м и удельным электрическим сопротивлением (УЭС) 30-150 Ом.м, он приурочен к почвенно-растительному слою. Второй геоэлектрический слой характеризуется УЭС 6-40 Ом.м и неоднороден по мощности, что возможно, связано с неравномерной обводненностью толщи из-за наличия ЗПТ. Третий геоэлектрический слой характеризуется УЭС 30-105 Ом.м и также неоднороден по мощности из-за наличия в разрезе ЗПТ. ЗПТ на геоэлектрических разрезах отмечаются: на профиле АВ в районе точек ВЭЗ-4, ВЭЗ-10, ВЭЗ-11; на профиле СД в районе точек ВЭЗ-2-4 и ВЭЗ-12-13.

По данным СЭП установками A25M25N25B и A125M25N125B обеими установками разрез отмечается как низкоомный: на профиле АВ r _к установки А25М25N 25В, изменяется от 7.7 до 16.5 Ом.м, установки А125М25N125В; от 7.5 до 45.7 Ом.м; на профиле СД r _к установки А25М25N25В изменяется от 7.3 до 26.7 Ом.м, установки А125М25N25В от 14.1 до 28.7 Ом.м. ЗПТ, выделенные в разрезе по результатам ВЭЗ, подтверждаются данными электропрофилирования глубинной установкой А125М25N125В.

По профилю АВ ЗПТ, выделенная по данным ВЭЗ в интервале 574.0-915.0 м, на графике СЭП отмечается в интервале ПК 21- ПК 39, она характеризуется повышением значений r _к , по сравнению с фоновыми, и относительно интенсивными высокочастотными аномалиями. Данная ЗПТ находится возле породного отвала с северо-западной стороны. Вторая ЗПТ зафиксирована в интервале ПК 81- ПК 109 и, аналогично первой, характеризуется ростом значений r _к относительно фона и повышенной интенсивностью высокочастотных аномалий. На профиле СД первая ЗПТ отмечается в интервале ПК 13- ПК 25, вторая – в интервале ПК 105- ПК 121. По характеру распределения r _к данные трещиноватые зоны сходны ЗПТ, выделенными на профиле АВ [5].

1 Геология месторождений угля и сланцев СССР (гл.ред. Амосов И.И.) М.-Госгеолтехиздат, 1963г.

2 Геология СССР (гл.ред. Малышев И.И.) т.7 "Донецкий бассейн" (ред.тома Степанов П.И.) М.-Госгеолтехиздат, 1944г

4 Гидрогеологические исследования на опорных шахтах Донбасса для прогнозирования обводненности горных выработок за 1990-1992г.г. (под руководством А. А. Лисянской). Отчет о НИР/ПГО “Донбассгеология” -- Артемовск, 1993г.