Гидродинамическая роль граничных условий при расчете обводненности Сюкеевского месторождения гипса (Республика Татарстан) Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 556.33; 556.38

ГИДРОДИНАМИЧЕСКАЯ РОЛЬ ГРАНИЧНЫХ УСЛОВИЙ ПРИ РАСЧЕТЕ ОБВОДНЕННОСТИ СЮКЕЕВСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ ГИПСА (РЕСПУБЛИКА ТАТАРСТАН)

Л.И. Аузина1

Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Рассмотрена гидродинамическая роль граничных условий при расчете обводненности Сюке-евского месторождения гипса, обусловленной притоком подземных вод через «гидравлические окна» в толще водовмещающих отложений, которыми служат интенсивно развитые системы разрывных нарушений, и поверхностных вод из Куйбышевского водохранилища. Предлагается новая технологическая схема расчета обводненности, позволяющая с высокой степенью достоверности оценить водопритоки и разработать эффективную схему отработки месторождения. Библиогр. 7 назв. Ил. 5. Табл. 5.

Ключевые слова: Сюкеевское месторождение гипса; граничные условия; водоносный горизонт; расчетная схема; тектонические нарушения; Куйбышевское водохранилище; водопри-ток.

HYDRODYNAMIC ROLE OF BOUNDARY CONDITIONS WHEN CALCULATING WATER CONTENT OF SYUKEEVSKOE GYPSUM DEPOSIT (TATARSTAN REPUBLIC)

L.I. Auzina

National Research Irkutsk State Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074.

The article examines the hydrodynamic role of boundary conditions when calculating the water content of Syukeevskoe gypsum deposit that is caused by the inflow of groundwaters through "hydraulic windows" in the depth of water-bearing deposits, which are represented by extensive faulting systems and surface waters from the Kuibyshev Reservoir. A new technological model for calculating water content is proposed. It provides a high degree of reliability in assessing water inflows as well as designing an effective scheme of mine development. 7 sources. 5 figures. 5 tables.

Key words: Syukeevskoe gypsum deposit; boundary conditions; aquifer; calculation model; tectonic faults; Kuibyshev Reservoir; water inflow.

Сюкеевское месторождение битуминозных гипсов находится в Камско-Устьинском районе Республики Татарстан (рис. 1). В соответствии со «Стратегией развития Камско-Устьинского муниципального района» на базе Сюке-

евского месторождения предусматривается строительство горно-перерабатыва-ющего комплекса, в состав которого войдут цементный, кирпичный и гипсовый заводы, заводы по переработке битуминозных доломитов, извлечению

:Аузина Лариса Ивановна, кандидат геолого-минералогических наук, доцент кафедры прикладной геологии, тел.: (3952)405108, e-mail: auzina@istu.edu

Auzina Larisa, Candidate of Geological and Mineralogical sciences, Associate Professor of the Department of Applied Geology.: (3952)405108, e-mail: auzina@istu.edu

' Баргузино

ол. Карм алы

Архангельские-Кляри г - - Камской Устье; Мэл.Кармалы

ст^ов^^ Заовр^Каратай

Куйбышев^ш* 3cTCh —------■

Куйбышевское водохранилище

месторождение

^-¿¡рр Г

Рис. 1. Обзорная карта Сюкеевского месторождения:

фигурная пунктирная линия - граница Камско-Устьинского района

строительного битума, производству силикатного кирпича, ЖБИ. Такой широкий спектр использования компонентов месторождения позволяет рассматривать анализ экономической эффективности его отработки как важнейшую задачу в плане дальнейшего развития региона, один из ключевых аспектов решения которой - оценка обводненности месторождения.

Сюкеевское месторождение известно с давних пор по протяженным выходам на дневную поверхность в обрывах правого берега Волги мощных продуктивных пластов гипса и битуминозных доломитов в отложениях пермской системы. В 1931 г. на месторождении впервые были выполнены геологоразведочные работы. В 1953-60 гг. проведена детальная разведка верхнего пласта гипса, в процессе которой установлено, что породы, слагающие Сюке-евское месторождение, в той или иной степени обводнены по всему разрезу. В 2008-09 гг. выполнено доизучение нижнего пласта гипса и пересчитаны ранее разведанные запасы.

В геологическом строении участка, расположенного в пределах Казан-ско-Кировского прогиба, принимают участие терригенно-карбонатные отло-

жения казанского (P2kz) и уржумского (Р2шг) ярусов пермского периода.

В гидрогеологическом отношении район относится к Волго-Сурскому артезианскому бассейну. Водоносные горизонты, распространенные в пределах месторождения, были сгруппированы в соответствии с их положением относительно пластов продуктивной толщи (рис. 2). Слабоводоносный горизонт карбонатно-терригенных отложений котельнической свиты (Р3к;), водопроницаемый локально-водоносный горизонт терригенно-карбонатных отложений уржумской свиты (Р2шг) и верхняя часть водоносного горизонта терригенно-карбонатных отложений верхнеказанской свиты, перекрывающие верхний пласт гипса, сведены в условный горизонт А и представлены карбонатно-терригенными образованиями общей мощностью до 110 м. Горизонт слабо водообилен. Воды безнапорные, солоноватые с минерализацией от 1,4 до 2,4 г/ дм , состав сульфатный магниево-кальциевый.

Далее залегает слой плотных водонепроницаемых глин средней мощностью 2,4 м, приуроченный к верхней части верхнеказанских отложений, изолирующий горизонт А от нижележащих

Рис.2. Гидрогеологический разрез Сюкеевского месторождения:

1-уровни подземных вод (УПВ) в горизонтах А, В, С, Б; 2 - гидрогеологические скважины

отложений. Однако его сплошность на некоторых участках скорее всего нарушена тектоническими дислокациями, представляющими собой «гидравлические окна», через которые возможно взаимодействие выше- (А) и нижележащего (В) горизонтов (рис. 3).

Ниже расположен первый (верхний) слой гипса мощностью 6,7 м, подошва которого находится ниже уровня воды в Куйбышевском водохранилище. Отложения в основном безводны. Условные горизонты В, С и Б выделяются в пределах водоносного горизонта терригенно-карбонатных отложений верхнеказанской свиты (Р2 к^).

Условный горизонт В приурочен к слою доломитов и разделяет верхний и нижний пласты гипса. Воды напорные, в прибрежной части разреза устанавливаются в верхнем пласте гипса. Водо-обильность горизонта невысока. Вероятно, существует гидравлическая связь подземных вод горизонта с водами р. Волги, которая ослабевает по мере удаления от уреза воды. Минерализация

вод возрастает до 2.0-3.4 г/дм , появляется запах сероводорода, что свидетельствует об отсутствии площадной гидравлической связи между горизонтами А и В. Такое разнообразие минерализации и состава подземных вод в точках, практически равноудаленных от водохранилища, может быть обусловлено их взаимосвязью с поверхностными водами и водами других горизонтов по локальным транзитным путям (зонам тектонических нарушений).

Коллекторами подземных вод условного горизонта С являются зоны развития трещин в пределах гипсового пласта, целиком залегающего ниже уровня воды Куйбышевского водохранилища. Воды напорные, статический уровень устанавливается в горизонте В. Водообильность незначительна. Воды относятся к типу сульфатных кальциевых, пресных с минерализацией 0,55 г/дм3.

Условный горизонт Б является самым водообильным. Наиболее высокие значения фильтрационных парамет-

Рис. 3. Схема развития геодинамических процессов на участке Сюкеевского месторождения

ров соответствуют предполагаемым зонам разломов, наименьшие - уплотненным внутриблоковым образованиям. Воды напорные, уровень устанавливается выше нижнего пласта гипса, в пределах горизонта В. Существует гидравлическая связь подземных вод рассматриваемого горизонта с водами р. Волги. Состав подземных вод горизонта Д меняется по мере увеличения глубины его вскрытия от гидрокарбо-натно-сульфатного магниево-кальцие-вого до сульфатного натриево-кальцие-вого, соответственно возрастает минерализация от 1,96 до 3.0 г/дм3, что свидетельствует о смешанном питании горизонта за счет инфильтрации атмосферных осадков и перетока подземных вод повышенной минерализации из нижележащей зоны затрудненного водообмена, причем роль последнего возрастает по мере увеличения глубины вскрытия горизонта.

Наибольшие сложности при анализе обводненности Сюкеевского месторождения связаны с определением границ продуктивных горизонтов как в

плане, так и в разрезе, а также с оценкой их гидродинамической роли. Анализ геолого-гидрогеологических условий позволил выделить граничные условия (ГУ) I рода (воды Куйбышевского водохранилища) и III рода (питание продуктивного пласта С за счет перетекания из смежных напорных водоносных горизонтов теригенно-карбонатных отложений по выделенным автором зонам тектонических нарушений).

Гидродинамическая модель месторождения (рис. 4) составлена в результате схематизации полученных данных. Продуктивным является напорный водоносный горизонт гипса

C, перекрывает его напорный горизонт терригенно-карбонатных отложений В, а подстилает - горизонт напорных вод

D. Их основные гидрогеологические характеристики приведены в табл. 1.

Оценка гидродинамической роли выделенных граничных условий в разрезе включает определение наличия и количественный расчет дополнительного питания продуктивного горизонта С за счет перетекания подземных вод из

Таблица 1

Основные гидрогеологические характеристики водоносных горизонтов _ Сюкеевского месторождения__

Гори- Сред. абс отм. Напор Н, Обводненная Коэффициент во- Удельный

зонт установившегося УПВ, м м мощность т, м допроводимости Т, м2/сут (от-до/сред.) дебит скважин д, л/с

А 70,3 - 3,36 0,26-1,69/0,99 0,002-0,013

В 58,15 5,6 8,6 0,3-0,7/0,5 0,002-0,048

С 52,5 6,61 9,2 0,1//0,1 0,001-0,002

Б 53,5 20,96 11,36 0,3-88/44,15 0,004-0,3

смежных водоносных подразделений В и Б. Приуроченность участка месторождения к такой структуре, как краевой прогиб, предполагает наличие на его территории дизъюнктивных нарушений, играющих роль «гидравлических окон» и предопределяющих взаимосвязь подземных вод выделенных водоносных горизонтов. Это утверждение находит дополнительное подтверждение в закономерностях развития форм рельефа исследуемой площади, структуре эрозионной сети и развитии геодинамических процессов (систем оврагов, карстовых полостей). Разница значений установившихся пьезометрических уровней подземных вод продуктивного, выше- и нижележащего горизонтов со-

ставляет не более 2 м, что также подтверждает наличие гидравлической связи между ними (рис. 4).

Перетекание подземных вод из горизонта Б в горизонт С 8п рассматривалось как ГУ III рода: д-ДДЬ) - и рассчитывалось по формуле [1]:

- к Н р ~ Н

8П — Кр

т р

(1)

Дополнительное питание еП составило 0.016 м3/сут на 1 м2 площади распространения горизонта. При пересчете на площадь распространения тектонических нарушений на исследуемой территории это составит достаточно заметные значения: от 100 до 200 м3/сут.

Рис 4. Гидродинамическая модель Сюкеевского месторождения

(пояснения в тексте)

с. 1 с. 2

Куйб! лшевское >.-Г11С НР \ Н1 [ ! Г Нг

///////// /////, '////////// XI '/////////////

, Х2

Рис. 5. Расчетная схема для оценки ЛЬ

(пояснения в тексте)

Роль граничных условий I рода (Куйбышевское водохранилище) определялась при условии н=сопб1.

Анализ результатов кустовой откачки из перечисленных горизонтов, в процессе которой происходит быстрая стабилизация графика временного прослеживания, свидетельствует о наличии достаточно интенсивного притока за счет поверхностных вод. Об этом же говорит химический состав подземных вод в прибрежной части водоносных горизонтов, который в значительной мере совпадает с составом вод водохранилища и изменяется по мере удаления от береговой линии. В связи с этим Куйбышевское водохранилище в гидродинамическом смысле рассматривается как ГУ 1-го рода. Для количественной оценки его роли рассчитывалось фильтрационное сопротивление ложа водоема АЬ методом В.М.Шестакова [2] по формуле (2) для каждого горизонта в отдельности по схеме, представленной на рис. 5:

Н - Н

М = (X2 - X,) - (2)

В основу расчетов положены данные стационарных наблюдений за режимом подземных вод, проведенных в 2008-2009 гг. Результаты представлены в табл. 2.

Таблица 2

Результаты расчета АЬ_

Показатели Горизонт

В Б

УПВ в скв.1 53,96м 53,29м

-Н1,м

УПВ в скв.2 59,0м 61,4м 53,5м

- Н2,м

Уровень во- Куйбышевское

ды в р. А -Нр, м водохранилище - 53,02м

АЬ,м 48,75м 36,23м 1093,5м

Расчет водопритоков в горные выработки производился для схемы трехслойного напорного пласта (см. рис. 4).

Если отработка слоя гипса С начнется на расстоянии от ближайшей к водохранилищу галереи до водоема (Ь), равном или больше радиуса влияния (Я), т.е. Ь > Я, то основные водоносные горизонты можно рассматривать как неограниченные [3] и считать водопри-ток по формуле (3). При других условиях их следует рассматривать как полуограниченные ГУ I рода (Куйбышевское в-ще) и рассчитывать водопритоки по формуле (5) с учетом замены радиуса влияния Я на выражение 2(Ь+АЬ).

В соответствии с положениями нормативных документов [4-6] общий водоприток в выработки складывается из водопритоков подземных вод из каждого водоносного горизонта в отдельности.

При ограниченности исходных данных технологического характера расчет водопритоков Q производился по формуле Ф.Форхгеймера [7]:

е — т2-^ ■ (3)

1п Я/

где Т - коэффициент водопроводимо-сти, м2/сут; 5 - требуемое понижение,

определяющееся с учетом максимальных, средних и минимальных уровней ПВ,м; й - радиус влияния, м.

Для схемы неограниченного пласта

Я - 1.5л/о*Г , (4)

где а * - коэффициент пьезопроводно-

сти, м2/сут

а * - Т

Л

(5)

где ¡л - коэффициент упругой водоотдачи, дол. ед.

Коэффициент водоотдачи для горизонтов В и Б определялся (табл.3) по данным режимных наблюдений и уравнению Г.Н.Каменского [7] при условии однородного водоносного горизонта на слабонаклонном (гидравлический градиент не превышает 0.05) водоупоре: * КМ 2 2 2

л / ,■. И + М2-2Л-2),

(А-

2 + ^2-3

№- и2)

(6)

где К - коэффициент фильтрации, м/сут; At - период наблюдений, сут; А-2, ^2-3 - расстояния между сечениями (скважинами) 1, 2, 3 с мощностью обводненных отложений И1, И2, И3 соответственно; И - УПВ в начале расчетного периода At в скв.2; И - УПВ в конце расчетного периода At в скв.2.

t - период отработки месторождения (период заказчиком не представлен, в связи с чем принят срок амортизации оборудования 104 сут.).

г0 - приведенный радиус «большого колодца» для линейного расположения скважин, м:

г0 - 0.2/ - 26.76м , (7),

где / - длина линейного ряда скважин, расположенных вдоль автотранспортного уклона, - 133,8 м.

Таблица 3 Результаты расчета л

Водовмещающие отложения горизонтов Коэффициент упругой водоот- * дачи ¡л

В 0,05

Б 0,082

С 0,06

Для схемы полуограниченного пласта

Я - 2(Ь + АЬ) . (8)

В зависимости от принятой схемы отработки месторождения влияние поверхностных вод на формирование водопритоков в горные выработки весьма различно, в связи с чем расчет притоков производился по двум схемам (табл. 4): неограниченного и полуограниченного пласта пластов для различных периодов интенсивности инфильтрационного питания (мин., макс., ср.).

Таблица 4 Результаты расчета водопритоков

м3/сут

Схема Горизонт

В С Б

Неограни- от 6,53 1,6 1088,38

ченный до 8,96 1,79 1302,86

пласт

Полуогра- от 12,72 2,46 1131,4

ниченный до 17,44 2,76 1354,36

пласт

Выводы

1. При выборе расчетных схем и оценке граничных условий необходим анализ неотектонической обстановки, являющейся важнейшим фактором в формировании гидрогеологических условий. В данном случае тектонические нарушения, положение которых отражено на карте (см.рис. 3), являются путями транзита ПВ, играя роль «гидравлических окон», что нашло подтверждение на первых этапах отработки

*

нижнего слоя гипса Сюкеевского месторождения.

2. Величина водопритока в горные выработки месторождения, рассчитанная с учетом притока воды из Куйбышевского водохранилища и без него, отличается почти на 90%. Это свидетельствует о необходимости комплексного подхода к оценке роли естественных ресурсов при формировании водопротоков и их дифференцированного расчета, поскольку эти характеристики в значительной мере предопределяют выбор системы водопонижения и экономическую эффективность разработки месторождения.

3. При разработке технологической схемы отработки месторождения следует учесть влияние поверхностных вод на формирование водопритока в горные выработки. Его можно минимизировать, начав отработку месторождения на расстоянии не менее 350 м от Куйбышевского водохранилища, но при этом потеряется часть продуктивного пласта.

Библиографический список

1. Мироненко В.А. Динамика подземных вод. М.: МГГУ, 2005. 519 с.

2. Шестаков В.М. Динамика подземных вод. М.: МГУ, 1979. 367 с.

3. Природопользование, охрана окружающей среды и экономика /под ред. А.П.Хаустова. М.: РУДН, 2006. 613 с.

4. Пособие по проектированию защиты горных выработок от подземных и поверхностных вод и водопони-жения при строительстве и эксплуатации зданий и сооружений (к СНиП 2.06.14-85 и СНиП 2.02.01-83). -М.:«ФУНДАМЕНТПРОЕКТ» ГОССТРОЯ СССР, 1991.

5. СНиП 2.06.14-85. Защита горных выработок от подземных и поверхностных вод / ГК СССР по делам строительства. М., 1985.

6. СНиП 2.02.01-83. Основания зданий и сооружений / Госстрой России. М., 1995.

7. Скабалланович И. А., Седенко М. В. Гидрогеология, инженерная геология и осушение месторождений. М.: Недра, 1980. 205 с.

Рецензент кандидат геолого-минералогических наук, профессор Иркутского государственного технического университета Ю.Н. Диденков