CC BY
24
Науки о Земле / Earth Science Оригинальная статья / Original Article УДК 556.3
DOI: 10.31161/1995-0675-2019-13-2-61-66
Гидрогеологические условия Себряковского месторождения цементного сырья
Волгоградской области
© 2019 Князев А. П., Крапчетова Т. В., Захаров Д. С., Либеровская А. Н.
Себряковский филиал Волгоградского государственного технического университета Михайловка, Россия; e-mail: alex_knjasev@mail.ru;
iwankra@mail.ru; annaliber1212@mail.ru
РЕЗЮМЕ. Цель. Рассмотреть водоносные горизонты, вскрытые Себряковским месторождением цементного сырья, и провести анализ геолого-гидрогеологических условий района исследования. Методы. На основе анализа обширных фондовых материалов с применением статистических и результатов дополнительных исследований были рассмотрены геолого-гидрогеологические условия района Себряковского месторождения. Результаты. На основе модели естественных условий были уточнены фильтрационные параметры, питание водоносных горизонтов и их взаимосвязь между собой и с поверхностными водами региона. Выводы. Исходя из опыта эксплуатации месторождения, прогноз водопритоков с более глубоких горизонтов в наибольшей степени отражает реально сложившуюся гидрогеологическую обстановку.
Ключевые слова: водоносный горизонт, водообильность, водоприток, минерализация и химический состав подземных вод.
Формат цитирования: Князев А. П., Крапчетова Т. В., Захаров Д. С., Либеровская А. Н. Гидрогеологические условия Себряковского месторождения цементного сырья Волгоградской области // Известия Дагестанского государственного педагогического университета. Естественные и точные науки. 2019. Т. 13. № 2. С. 61-66. РР!: 10.31161/1995-0675-2019-13-2-61-66_
Hydrogeological Conditions of Sebryakov Cement Raw Material Deposit in the Volgograd Region
© 2019 Aleksandr P. Knyazev, Tat'yana V. Krapchetova, Dmitriy S. Zakharov, Anna N. Liberovskaya
Sebryakov Branch, Volgograd State Technical University Mikhailovka, Russia; e-mail: alex_knjasev@mail.ru; iwankra@mail.ru; annaliber1212@mail.ru
ABSTRACT. The aim of the paper is to consider the aquifers discovered by Sebryakov cement raw material deposit and analyze the geological and hydrogeological conditions of the study area. Methods. It is considered the geological and hydrogeological conditions of Sebryakov deposit based on the analysis of extensive collection materials with the use of statistical and additional study results. Results. It is clarified the filtration parameters, the feeding of the aquifers and their relationship with each other and with the surface water in the region. Conclusions. The forecast of water inflow from deeper horizons most closely reflects the actual hydrogeological situation by reference to the field exploitation experience.
Keywords: aquifer, abundance of water, water inflow, mineralization and chemical composition of groundwater.
••• Известия ДГПУ. Т. 13. № 2. 2019
••• DSPU JOURNAL. Vol. 13. No. 2. 2019
For citation: Knyazev A. P., Krapchetova T. V., Zakharov D. S., Liberovskaya A. N. Hydrogeological Conditions of Sebryakov Cement Raw Material Deposit in the Volgograd Region. Dagestan State Pedagogical University. Journal. Natural and Exact Sciences. 2019. Vol. 13. No. 2. Pp. 61-66. DOI: 10.31161/1995-06752019-13-2-61-66 (In Russian)
Введение
Себряковское месторождение цементного сырья (мела и глины) находится в 3,5 км к северу от железнодорожной станции Себряково и районного центра г. Михайловки и в 1 км к северу от Акционерного общества «Себряковцемент». Станция Себряково Приволжской железной дороги находится в Волгоградской области в 868 км к юго-востоку от г. Москвы и в 208 км к северо-востоку от г. Волгограда.
Себряковский карьер был образован в связи с добычей мела и является гигантской техногенной формой рельефа в Волгоградской области; начал разрабатываться с начала 50-х гг. XX в. На базе Себряков-ского и Михайловского месторождений в 1953 г. был построен Себряковский цементный завод, успешно работающий в наши дни [4; 6].
В настоящее время разработка карьера ведётся вширь. Складирование верхнего плодородного слоя осуществляется в крайней юго-западной части карьера. Вскрышные породы представлены покровным суглинистым материалом, под которым залегают ледниковые глины зеленовато-серого цвета, валуны и ергенинская песчаная толща мощностью 15-20 м. С помощью роторного экскаватора они снимаются и
складируются в виде отвалов в центральной и восточной частях карьера. Причем в зависимости от технологического способа добычи различаются гидроотвалы и отвалы роторного комплекса [2; 5].
Открытая разработка полезных ископаемых сопровождается обильным водопри-током за счет подземных вод, дренирующих с разных горизонтов выработки. В результате этого создаются огромные депрес-сионные воронки, снижающие уровень грунтовых вод на прилегающей территории. Это приводит, с одной стороны, к заполнению карьеров и выемок водой, а с другой (когда происходит снижение уровня грунтовых вод) - к осушению земной поверхности. Наиболее ярко этот процесс проявляется в Себряковском карьере [1].
Целью исследования является изучение гидрогеологических условий Себряковско-го месторождения цементного сырья.
Методы - в данной работе использовались геологический и геофизический и статистический методы исследования.
Результаты и обсуждение
В гидрогеологическом отношении Себряковское месторождение и прилегающая к нему территория входят в Терсин-ский гидрогеологический район Приволж-ско-Хоперского артезианского бассейна (рис. 1).
Рис. 1. Себряковское месторождение и прилегающая к нему территория
По литолого-стратиграфическим признакам в разрезе выделяются 7 водоносных горизонтов [3].
I. Верхнечетвертичный - современный аллювиальный водоносный горизонт (aQnnV), развитый в долинах рр. Медведица и Тишанка и приурочен к их пойменным отложениям. Водовмещающими породами являются мелко- и среднезерни-стые пески с включениями гальки и редкими прослоями супесей и суглинков. Мощность горизонта изменяется от 10-15 м до 25-30 м на переуглубленных участках долины. Уровни грунтовых вод устанавливаются на глубинах 1-5 м. Горизонт безнапорный. Водообильность горизонта весьма высока, удельные дебиты скважин достигают 3-10 л/сек. Коэффициенты фильтрации песков достигают 30-50 м/сут и лишь вблизи границ долин уменьшаются до 5 м/сут. Водопроводимость горизонта, определенная по данным кустовых откачек, изменяется от 500 до 1250 м2/сут, уровнепроводность - от 8,1x103 до 1,1x104 м2/сут. Минерализация и химический состав подземных вод горизонта изменяются в широких пределах. Воды с минерализацией до 1 г/л имеют преимущественно гидрокарбонатный кальциево-натриевый состав и приурочены к участкам интенсивной инфильтрации атмосферных осадков и паводковых вод. По мере удаления от зон питания атмосферными и паводковыми водами преобладающую роль в формировании минерализации и химического состава начинают играть солоноватые воды нижележащих водоносных горизонтов, разгружающихся в аллювий. Солоноватые воды с минерализацией до 2,5 г/дм3 имеют, в основном, сульфатно-хлоридный и хлоридный натриево-кальциевый состав.
II. Локально-водоносный днепровский моренный горизонт (qQndn) имеет спорадическое распространение к северо-западу от карьера и приурочен к линзам и прослоям песков. Питание его осуществляется за счет инфильтрации атмосферных осадков, разгрузка - в балочно-овражную сеть. Во-дообильность горизонта низкая, дебиты колодцев составляют от 0,01 до 0,4 л/с при понижениях 0,3-1,3 м. Состав вод пестрый с минерализацией 1-3 г/л.
III. Локально-водоносный плиоценовый горизонт также распространен северо-западнее карьера и приурочен к линзам и
прослоям песков в ергенинской слоистой толще. Водообильность характеризуется рядом скважин с удельными дебитами 0,10,3 л/с. Химический состав вод пестрый, минерализация 0,5-2,8 г/л.
IV. Турон-коньякский водоносный горизонт (К2t+k) приурочен к трещиноватым мелам и мергелю и развит на всей площади распространения этих пород. Подземные воды горизонта большей частью имеют безнапорный или слабонапорный характер. Мощность горизонта от 0 м в местах размыва, до 70 м - в местах наибольшего падения. Уровенная поверхность турон-коньякского водоносного горизонта неровная: на фоне общего падения уровней к области разгрузки в долине р. Медведицы отмечается депрессионная воронка глубиной до 25 м в районе карьера. Водообиль-ность горизонта весьма неравномерна. Большая часть территории характеризуется довольно низкими удельными дебитами скважин - от 0,001 до 0,15 л/с, однако, в областях обоих логов и вблизи выходов ту-рон-коньякских отложений на поверхность возрастает - от 0,4 до 4,0 л/с. Коэффициент фильтрации мелов, расположенной в основании левого склона Большого Лога, составил около 5 м/сут. Емкостные свойства горизонта и гравитационная водоотдача пород определена в 1,5x104
Минерализация и химический состав вод турон-коньякского горизонта изменяется в плане и в разрезе. В плане общее увеличение минерализации наблюдается в направлении падения пласта и увеличения мощности перекрывающих отложений с юго-востока на северо-запад от 0,5-0,7 до 3,0-3,5 г/л. В разрезе отмечается прямая гидрохимическая зональность. По мере увеличения минерализации состав вод постепенно меняется от гидрокарбонатного к хлоридно-сульфатному. Питание водоносного горизонта осуществляется за счет инфильтрации атмосферных осадков и за счет дренирования вышележащих локально-водоносных горизонтов. Кроме того, в районе карьера происходит интенсивный подток снизу вод из альб-сеноманских пес-чано-глинистых отложений. Разгрузка происходит в юго-восточном направлении в долине рр. Медведицы и Тишанки.
V. Альб-сеноманский водоносный горизонт (К^^) распространен практически повсеместно и имеет достаточно тесную гидравлическую связь с вышележащими
••• Известия ДГПУ. Т. 13. № 2. 2019
••• йЭРиЮийЫАи Vol. 13. No. 2. 2019
водоносными горизонтами: турон-коньякским, плиоценовым и аллювиальным. В районе карьера уровень альб-сеномана на 1-12 м выше осушаемого ту-рон-коньякского горизонта. Благодаря достаточно однородному в плане строению, фильтрационные и емкостные свойства водоносного горизонта выдержаны по площади и характеризуются: водопрово-димостью - от 120 м2/сут на юге до 225 м2/сут в области месторождения и к северу от него; пьезопроводностью -3,0x105-1x104 м2/сут. Дебиты разведочных скважин достигают 13 л/с, эксплуатационных - 33 л/с при понижениях 10-13 м.
Характер изменения минерализации и химического состава подземных вод примерно тот же, что и в турон-коньякском горизонте. Пресные воды с минерализацией до 1 г/л распространены в кровле водоносного горизонта в долине р. Медведицы, центральной части долины р. Тишанки и на севере территории, где наблюдается обширный выход альб-сеноманских отложений на поверхность. Благодаря достаточно высоким фильтрационным свойствам, вся восточная часть территории распространения альб-сеноманского горизонта опреснена, минерализация подземных вод несколько ниже, чем в турон-коньякском горизонте. Питание водоносного горизонта происходит за счет инфильтрации атмосферных осадков, перетоков подземных вод из смежных водоносных горизонтов, а также за счет паводкового стока в долинах рек. Разгрузка подземных вод в основном происходит в аллювий рек и в смежные водоносные горизонты.
VI. Аптский водоносный горизонт (^ a) распространен почти повсеместно. Благодаря пачке плотных глин в кровле, он достаточно хорошо изолирован от вышележащих водоносных горизонтов и приурочен к прослоям глинистых песков мощностью 2-12 м в нижней части аптских отложений. Удельные дебиты скважин не превышают 0,1-0,4 л/с. Воды горизонта солоноватые, хлоридные, различного катион-ного состава. Минерализация варьирует в пределах 1,0-3,5 г/л.
VII. Готерив-барремский водоносный горизонт (^ q+br) в районе месторождения не опробовался. Мощность его составляет 15-25 м, вероятная минерализация более 1 г/л. Подстилается готерив-барремский горизонт байосскими глинами,
являющимися региональным водоупором [2].
Анализ геолого-гидрогеологических условий района Себряковского месторождения на базе имеющихся фондовых материалов и результатов дополнительных исследований позволяет сделать следующие выводы:
1. Благодаря значительной емкости ме-лов и мергелей турон-коньякского водоносного горизонта, основную роль в формировании водопритоков в зумпф Себря-ковского карьера играют емкостные запасы подземных вод меловой толщи. В меньшей степени, карьерный водоприток перехватывает транзитный сток подземных вод турон-коньякского и альб-сеноманского водоносных горизонтов в долины рр. Медведицы и Тишанки.
2. Низкие фильтрационные и высокие емкостные свойства меловой толщи способствуют образованию вокруг карьера крутой и глубокой воронки депрессии, что ставит под сомнение возможность быстрого и эффективного осушения обводненного мела системой водопонизительных скважин.
Планируемое на ближайшие 20 лет развитие горных работ предусматривает большую степень отработки запасов обводненного мела с увеличением глубины разработки и мощности полезной толщи.
Для уточнения гидрогеологических условий Себряковского месторождения в современных условиях и прогноза водо-притоков при его дальнейшей эксплуатации были предложены три геофильтрационные модели: модель естественных условий до начала эксплуатации, модель современных условий и прогнозная модель. На основе модели естественных условий были уточнены фильтрационные параметры, питание водоносных горизонтов и их взаимосвязь между собой и с поверхностными водами региона. На модели современных условий были уточнены емкостные свойства водоносных толщ и размеры существующей воронки депрессии, определены доли емкостных запасов и динамических ресурсов в величине современного карьерного водоотлива. С использованием прогнозной модели, построенной на основе двух предыдущих моделей, выполнены гидравлические прогнозы различных вариантов защиты месторождения от подземных вод при его разработке, определены значения ущерба речному стоку и влияние
водопонижения на существующие вблизи водозаборы подземных вод.
Моделирование водопритоков в карьер показало, что при регулярном (один раз в 2-3 года) перемещении зумпфа в отработанном пространстве с поддержанием уровня воды в нем на отметках подошвы полезной толщи дополнительных дренажных сооружений не потребуется, поскольку уровень подземных вод повсеместно будет ниже поверхности уступов. Водо-притоки в карьер на 70-80 % складываются из сработки емкостных запасов мела и лишь на 20-30 % за счет перехвата транзитного стока в рр. Тишанку и Медведицу. Непрерывное и постепенное увеличение глубины отработки и площади вскрытых запасов обводненного мела не приводит к существенному возрастанию уклона потока. Кроме того, благодаря снижению уровней вблизи карьера уменьшается водопро-водимость турон-коньякского водоносного горизонта.
С учетом отсутствия каких-либо дополнительных источников питания это обеспечивает плавный и, в общем, незначительный рост водопритоков в выработанное пространство карьера. В целом величина карьерного водоотлива за период эксплуатации возрастала по мере увеличения площади и глубины отработки «обводненных» запасов мела. Кроме того, величина водоотлива определяется климатическими факторами и водностью года. Так, в 2016 г. фактические водопритоки в карьер составили 724 м3/ч, что на 82 м3/ч выше, чем 2015 г., что связано с увеличением глу-
1. Брылев В. А., Дьяченко Н. П., Пряхин С. И., Серегина Н. М. Крупнейшие карьеры Волгоградской области и их геоэкологическое состояние // Известия Волгоградского государственного педагогического университета. 2007. № 6 (24). С. 69-75.
2. Волгоградская область - 2004 г.: научно-популярный альбом / Администрация Волгоградской области. Волгоград: Изд-во Волгоград, 2004. 384 с.
3. Князев А. П., Пристансков А. А., Лепилина В. А. Гидрологическая характеристика северозападной части Волгоградской области // Инновационное развитие строительства Волгоградской области: материалы II студенческой научно-технической интернет-конференции (22 апреля 2013 г.). Волгоград, 2013. С. 135-138.
бины отработки и водностью года. Фактические водопритоки приводятся по работе водоотливных установок с учетом всех возможных источников формирования водопритоков - подземных вод и атмосферных осадков. Исходя из опыта эксплуатации месторождения, прогноз водопри-токов с более глубоких горизонтов с использованием многолетних фактических данных в наибольшей степени отражает реально сложившуюся гидрогеологическую обстановку.
Заключение
Расчет прогнозных водопритоков в проектный карьер месторождения выполнен по методу аналогий по формуле:
Фирпгн, Ффакт-*" ~
где Qпрогн. - прогнозный водоприток в проектный карьер (нормальный - с учетом подземных вод и среднегодовых атмосферных осадков, максимальный - с учетом подземных вод, паводковых и ливневых вод), м3/ч; Qфaкт. - фактические притоки (нормальный и максимальный), м3/ч; Sфакт. - фактическое понижение уровня подземных вод, м; Sпрогн. - проектное понижение уровня подземных вод, м. Таким образом, прогнозные водопритоки за счет различных источников их формирования в контур проектного карьера составят:
(¡ш^ = 936х^= 960мэ /ч, <1™,= 1092^=1120м3Л
4. Князев А. П. Техногенные ландшафты и техногенные воздействия (на примере карьер-но-отвального типа) // Энерго- и ресурсосбережение в строительной индустрии. Организационно-экономические и социальные проблемы хозяйствования в строительстве: материалы научно-технической интернет-конференции (1 июня 2010 г.). Волгоград, 2010. С. 198-202.
5. Серегина Н. М. Себряковский карьер -крупнейшая техногенная форма рельефа Волгоградской области // XI Региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области: тезисы докладов (08-10 ноября 2006 г.). Волгоград, 2007. С. 101-102.
6. Федотов В. И. Техногенные ландшафты: теория, региональные структуры, практика. Воронеж: Изд-во ВГУ, 1985. 191 с.
Литература
66 ••• Известия ДГПУ. Т. 13. № 2. 2019
••• DSPU JOURNAL. Vol. 13. No. 2. 2019
References
1. Brylev V. A., D'yachenko N. P., Pryakhin S. I., Seregina N. M. Izvestiya Volgogradskogo gosudar-stvennogo pedagogicheskogo universiteta [Proceedings of Volgograd State Pedagogical University]. 2007. No. 6 (24). Pp. 69-75. (In Russian)
2. Volgogradskaya oblast' - 2004 g.: nauchno-populyarnyy albom / Administratsiya Volgograd-skoy oblasti [the Volgograd Region - 2004: Popular Science Album / Administration of the Volgograd Region]. Volgograd, Volgograd Publ., 2004. 384 p. (In Russian)
3. Knyazev A. P., Pristanskov A. A., Lepilina V. A. Hydrological characteristics of the Volgograd Region North-Western part. Innovatsionnoe razvi-tie stroitel'stva Volgogradskoy oblasti: materialy II studencheskoy nauchno-tekhnicheskoy internet-konferentsii (22 aprelya 2013 g.) [Innovative development of construction of the Volgograd region: materials of the 2nd student Scientific and Technical Internet Conference (April 22, 2013)]. Volgograd, 2013. Pp. 135-138. (In Russian)
4. Knyazev A. P. Technogenic landscapes and technogenic impact (as exemplified by quarry-dump type). Energo- i resursosberezhenie v
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ Принадлежность к организации
Князев Александр Петрович, кандидат географических наук, доцент кафедры технических дисциплин и теплоэнергетики, Себряковский филиал Волгоградского государственного технического университета (СФ ВГТУ), Михайловка, Россия; e-mail: alex_knjasev@mail.ru
Крапчетова Татьяна Владимировна, старший преподаватель кафедры строительных материалов и специальных технологий, СФ ВГТУ, Михайловка, Россия; email: iwankra@mail.ru
Захаров Дмитрий Сергеевич, старший преподаватель кафедры математических и естественно-научных дисциплин, СФ ВГТУ, Михайловка, Россия; e-mail: alex_knjasev@mail.ru
Либеровская Анна Николаевна, доцент кафедры технических дисциплин и теплоэнергетики, СФ ВГТУ, Россия; e-mail: annaliber1212@mail.ru
stroitel'noy industrii. Organizatsionno-ekonomicheskie i sotsial'nye problemy kho-zyaystvovaniya v stroitel'stve: materialy nauchno-tekhnicheskoy internet-konferentsii (1 iyunya 2010 g.) [Energy and Resource Saving in the Construction Industry. Organizational, Economic and Social Problems of Construction Management: Materials of a Scientific and Technical Internet Conference (June 1, 2010)]. Volgograd, 2010. Pp. 198-202. (In Russian)
5. Seregina N. M. Sebryakov Quarry as the largest technogenic relief form of the Volgograd region. XI Regional'naya konferentsiya molodykh issledovateley Volgogradskoy oblasti: tezisy dokladov (08-10 noyabrya 2006 g.) [The 11th Young Researchers Regional Conference of the Volgograd Region: Abstracts (November 08-10, 2006)]. Volgograd, 2007. Pp. 101-102. (In Russian)
6. Fedotov V. I. Tekhnogennye landshafty: teor-iya, regional'nye struktury, praktika [Technogenic Landscapes: Theory, Regional Structures, Practice]. Voronezh, Voronezh State University Publ., 1985. 191 p. (In Russian)
AUTHORS INFORMATION Affiliations
Aleksandr P. Knyazev, Ph.D. (Geography), Associate Professor, Department of Technical Disciplines and Heat Power Engineering, Sebryakov Branch, Volgograd State Technical University (SB VSTU), Mikhailovka, Russia; email: alex_knjasev@mail.ru
Tat'yana V. Krapchetova, Senior lecturer, Department of Building Materials and Special Technologies, SB VSTU, Mikhailovka, Russia; e-mail: iwankra@mail.ru
Dmitriy S. Zakharov, Senior lecturer, Department of Mathematical and Natural Science Disciplines, SB VSTU, Mikhailovka, Russia; email: alex_knjasev@mail.ru
Anna N. Liberovskaya, Associate Professor, Department of Technical Disciplines and Heat Power Engineering, SB VSTU, Mikhai-lovka, Russia; e-mail: annaliber1212@mail.ru
Принята в печать 31.05.2019 г.
Received 31.05.2019.
