геологического пространства Земли они имеют ту или иную температуру, отличаются определенным тепловым состоянием и образуют в совокупности тепловое поле земной коры. Тепловое состояние горных пород земной коры определяется двумя источниками тепла: внешним—солнечной радиацией — и внутренним — тепловым потоком из недр Земли. В приповерхностных горизонтах земной коры в тепловом балансе горных пород главное значение имеют процессы, связанные с поступлением тепла от Солнца. В более глубоких горизонтах, где главным образом ведутся горные работы, связанные с разработкой месторождений полезных ископаемых и строительством сооружений, тепловое состояние горных пород определяется распространением и плотностью теплового потока, поступающего из недр Земли.
Процессы теплообмена в системе Земля — атмосфера (космическое пространство) накладываются и изменяют тепловое состояние горных пород в приповерхностных горизонтах земной коры и образуют здесь зоны суточных, годовых, многолетних, вековых и более длиннопериодных колебаний температуры. Суточные колебания температуры горных пород распространяются на малую глубину. На глубине 1 м (максимум 2 м) суточная амплитуда колебаний температуры горных пород равна нулю, здесь располагается зона постоянных суточных температур. Граница постоянных годовых температур горных пород намечается на глубине до 15—25 м, реже 30—40 м. Глубина распространения этой зоны сильно изменяется, главным образом в зависимости от амплитуды колебаний температуры на поверхности земли и от тепловых свойств горных пород. Обычно в зоне постоянных годовых температур горные породы имеют температуру, близкую к среднегодовой температуре воздуха на поверхности земли. На территории СССР температура слоя горных пород с постоянными годовыми температурами изменяется от —13°С в районе Таймырского полуострова до +20° в пустынных районах Средней Азии.
В тех областях, где имеется дефицит тепла, происходит охлаждение земной коры, которое проявляется в ее промерзании в течение зимнего сезона или многих лет. На территории Советского Союза на обширных пространствах полярных и приполярных областей и в некоторых высокогорных районах горные породы на глубину десятков и сотен метров от поверхности земли имеют отрицательную температуру — это области распростране-
ния многолетней мерзлоты. |
Здесь в |
результате |
теплообмена |
в системе Земля — атмосфера |
возник |
дефицит тепла на поверх- |
|
ности Земли на определенном этапе ее развития. |
Накопление |
||
холода в верхней зоне земной коры есть результат |
особенностей |
||
этого теплообмена. |
|
|
|
Гран]1цы распространения многолетних, вековых и других колебаний температуры горных пород в земной коре установить трудно, о них судят только по палеогеографическим данным.
4 5
н и же зоны постоянных годовых, а |
практически и постоян- |
ных многолетних температур горных |
пород прослеживается |
зона постепенного их повышения с глубиной. В разных районах скорость повышения температуры горных пород с глубиной различна и изменяется от 3—5''С на 100 м (геотермический градиент) в молодых складчатых областях (Тихоокеанский пояс, Копетдаг, Кавказ, Крым, Карпаты) до 1 "С на 100 м в районах кристаллических щитов (Балтийский, Украинский и др.). В соответствии с этим в отдельных районах на глубинах, представляющих практический интерес, т. е. с глубины 400—500 м и глубже, температура горных пород может достигать 25—ЗО^'С и выше, в них могут быть вскрыты горячие подземные воды.
Высокие температуры горных пород и подземных вод могут существенно влиять на производство строительных и горных работ и эксплуатацию сооружений. По правилам технической эксплуатации шахт и рудников температура воздуха в подготовительных и очистных выработках, а также в машинных камерах, в которых регулярно работают люди, не должна превышать 25 "С.
В районах распространения многолетней мерзлоты геотермические условия существенно усложняют строительство подземных сооружений и выполнение горно-эксплуатационных работ. Здесь отрицательные температуры горных пород и воздуха в горных выработках создают неблагоприятные условия для людей (часты простудные и другие заболевания), вызывают нарушения нормальной работы механизмов и оборудования (пневматического оборудования, воздухопроводов, водоотливных средств и др.). Прогрев и оттаивание горных пород снижают их прочность и устойчивость, и при этом возникает возможность притоков и прорывов подземных вод и газов в выработки и других явлений. Например, в пределах месторождения Кайеркан Норильского района Тунгусского угольного бассейна с глубиной повышается температура многолетнемерзлых пород и возрастает метанообильность горных выработок [Лидин Г. Д., 1980 г.].
Все это указывает на то, что при проектировании подземных сооружений (шахт, рудников, туннелей и др.) и соответственно средств проветривания, вентиляции, охлаждения, обогрева подземных выработок необходимо располагать достоверными данными о распределении температуры горных пород и подземных вод с глубиной. Соответственно при разведке месторождений твердых полезных ископаемых и выполнении инженерно-геоло- гических исследований на конкретных участках расположения сооружений или осваиваемой территории необходимо производить сбор всех имеющихся геотермических данных по району, организовывать и выполнять геотермические наблюдения и измерения в разведочных скважинах и горных выработках, обобщать получаемые данные и составлять заключения о геотермических условиях разработки месторождения. При этом для прог-
4 6
поза температуры горных пород на значительных глубинах можно рекомендовать следующие эмпирические зависимости:
H-h
где |
Гн —ориентировочная температура горных пород на |
глу- |
бине |
Я (м), X ; g-— геотермическая ступень — интервал |
глу- |
бины » метрах, на котором температура горных пород повыша-
ется на 1 "С в изучаемом районе; te — средняя |
температура |
воз- |
|
духа данной местности, "С; h |
глубина зоны |
постоянных годо- |
|
вых температур горных пород, м. |
|
|
|
Соответственно глубина залегания горных пород с той |
или |
||
иной температурой определяется |
из уравнения |
|
|
Глубину зоны постоянных годовых температур горных пород определяют по данным режимных стационарных геотермических наблюдений. Ориентировочный расчет этой глубины можно производить по данным наблюдений за температурой горных пород на меньшей глубине, пользуясь законом уменьшения амплитуды колебаний температуры с глубиной,
В заключение отметим, что тепловое поле земной коры на отдельных участках может иметь положительные и отрицательные геотермические аномалии. Положительные аномалии связаны с выходами терм (горячих вод с больших глубин), с участками неоген-четвертичного вулканизма или с участками активных геохимических процессов, сопровождающихся выделением тепла. При строительстве туннелей на больших глубинах и разработке месторождений полезных ископаемых все такие явления отмечались неоднократно.
Глава HI
ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ТВЕРДЫХ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
111-1. Роль обводненности месторождений полезных ископаемых в оценке их ииженерно-геологических условий
Подземные воды являются важнейшим элементом инже- нерно-геологических условий любых месторождений полезных ископаемых. При их освоении, при строительстве шахт и карьеров и разработке полезных ископаемых подземные воды влияют на устойчивость горных пород в бортах карьеров и подземных выработках, на условия производства и безопасность ведения горных работ, на качество полезных ископаемых; все это вызывает необходимость выполнения разнообразных мероприятий по защите горных выработок от притоков к ним подземных вод и опасного их влияния.
Практика показывает, что суммарные притоки воды к горным выработкам на угольных месторождениях достигают 2Q00— 3500 мз/ч, а на рудных — 7000—10000 м^/ч. Известны прорывы воды, плывунов и разжиженных глинистых пород в горные выработки и их затопление. Ущерб, наносимый такими авариями, очень большой. Из мировой практики известно, что они нередко сопровождаются человеческими жертвами. В настоящее время на обводненных месторождениях стоимость мероприятий по защите горных выработок от подземных вод составляет весьма значительную долю (10—!5%, т. е. сотни миллионов рублей) от стоимости капитальных и эксплуатационных работ. Поэтому изучение подземных вод — их распространения, условий залегания, гидравлических особенностей, условий питания, разгрузки, запасов (ресурсов), режима, химизма, участия в развитии геологических процессов и т. д. — необходимо производить обязательно при разведке и промышленной оценке месторождений и проектировании горных выработок. Без должного учета влияния подземных вод на развитие геологических процессов и явлений, влажности и водоносности горных пород не могут быть правильно оценены инженерно-геологические условия месторождения и сделан прогноз их изменений.
III-2. Типы подземных вод и их распространение
в пределах месторождений твердых полезных ископаемых
В пределах месторождений полезных ископаемых подземные воды в большинстве случаев широко распространены как по площади, так и на глубину. Они приурочены как к отложениям
48
четвертичного возраста, так и к коренным породам, образуют водоносные горизонты, зоны и комплексы грунтовых поровых, трещинных и карстовых вод; поровых, трещинных и карстовых, пластовых напорных и ненапорных вод; трещинно-жнльных и карстовых как напорных, так и безнапорных вод. В районах распространения многолетней мерзлоты водоносные горизонты, зоны и комплексы могут быть надмерзлотными. межмерзлотными и подмерзлотяыми.
Обводненность месторождений определяется главным образом следующими основными факторами:
1)климатическими условиями района (избыточно влажный, влажный, умеренно влажный, сухой климат);
2)гидрографией района (наличие рек и ручьев, озер, прудов, водохранилищ, заболоченность территории);
3)рельефом местности (горный резко расчлененный, холмистый, холмисто-равнинный, равнинный);
4)геологическим строением — распространением в геологическом разрезе петрографических типов и разностей горных по-
род, обладающих водоемкостью (коллекторскими свойствами) и водопроницаемостью, и горных пород, образующих региональные и локальные водоупоры;
5) тектоникой района — степенью тектонической нарушенности условий залегания и раздробленности горных пород, слагающих месторождение, региональными и локальными тектоническими нарушениями, степенью трещиноватости и ее пространственным распространением по площади и на глубину;
6)степенью и характером выветрелости или закарстованностн горных пород по простиранию и на глубину;
7)глубиной залегания полезного ископаемого от поверхности земли, формой и условиями залегания и положением относительно местного или регионального базиса разгрузки подземных вод;
8)степенью осушенности месторождения в результате дренирования водоносных горизонтов, зон и комплексов;
9)искусственным обводнением и затоплением территорий месторождений при создании водохранилищ, интенсивном орошении, сбросе промышленных и других вод, нарушении поверхностного стока вследствие деформаций поверхности земли при подработке территорий системами горных выработок с естест-
венным или принудительным обрушением в них горных пород, и особенно при подработке различных водных объектов — рек, водоемов, водоносных комплексов и др.
На обводнение месторождений, шахтных и карьерных полей при производстве горных работ и возникновение опасных явлений (прорывы воды и затопление горных выработок) могут оказывать влияние также воды, накопившиеся в старых затопленных шахтах. Следовательно, обводнение разрабатываемых месторождений может определяться как природными, так и искусственными факторами.
4 9