Материал: Hydrogeodynamics101

3. Принцип обратной связи

Этот принцип определяет важнейшую позицию схематизации как связующего звена между гидрогеологическими изысканиями и наблюдениями, с одной стороны, и характером работы инженерного сооружения — с другой. Из него следует, что эффективность гидро­геологической разведки решающим образом зависит от степени уче­та (при ее постановке и проведении) требований, вытекающих из предполагаемого гидродинамического и гидрохимического режима подземных вод в процессе возведения в эксплуатации инженерного сооружения. Так, при разведке месторождения вблизи крупной реки основная задача опытных опробований сводится к определению про­водимости на участке между рекой и будущей горной выработкой: ввиду предполагаемой быстрой стабилизации режима фильтрации определению емкостных свойств пласта может отводиться подчинен­ная роль. Наоборот, при разведке пластового месторождения, при­уроченного к закрытой мульдообразной структуре, надёжность оценки именно емкостных свойств пород должна иметь решающее значение для прогноза динамики водопритоков в горные выработки (см. раздел 8.1).

Другой пример относится к угольному месторождению, где ниже пласта угля под мощным пластом водоупорных аргиллитов залегает слой песчаников с напорными водами. Если месторождение будут разрабатывать подземным способом, то опытно-фильтрационные ис­следования в песчаниках можно вообще не проводить, так как этот водоносный горизонт не будет влиять ни на водопритоки в шахту, ни на устойчивость горных выработок. Наоборот, при разработке карь­ером именно этот водоносный горизонт, способный вызвать крупные оползни (см. раздел 8.2), будет нуждаться в проектировании специ­альных дренажных мероприятий и, следовательно, разведка должна обеспечить определение его фильтрационных параметров. -

На этих примерах мы проиллюстрировали значение схематиза­ции, учитывающей условия работы сооружения, для постановки изысканий. Еще более ясно, что и сама схематизация не может быть эффективной, если она не учитывает эти условия: грубо говоря, схематизация «вообще», схематизация геологического объекта как такового, в инженерной гидрогеологии во многом лишена смыс­ла.

Важнейшим аппаратом для реализации принципа обратной свя­зи является анализ чувствительности. В простейшем варианте он сводится к сопоставительной оценке условий работы сооружения при независимых вариациях расчетных параметров. Например, если, со­гласно предварительной схематизации, основные притоки к карьеру определяются наличием ограниченной по простиранию зоны высоко­проницаемых карбонатных пород, то проводят серию «прикидочных» расчетов по средним значениям параметров этой зоны (найденных к данному моменту изысканий) и их усредненным отклонениям в не­благоприятную сторону. По различиям в результирующих значени­ях водопритока оценивают полноту и качество исходной информа­ции. Так, благодаря анализу чувствительности расчетной модели выделяются участки, на которых необходимо первоочередное нара­щивание информации, причем ясно указывается, какие именно рас­четные параметры нуждаются в серьезном уточнении, а какие явля­ются малозначащими. И здесь мы приходим к идее самообучения гидрогеологических изысканий и наблюдений, реализация которой имеет решающее значение для их оптимизации. Последнее особенно справедливо для гидрогеологических наблюдений, когда принцип «двигаясь, учись» оказывается обязательным условием эффективно­го инженерного решения.

На рис. 7.6 представлен схематический разрез водоносных ком­плексов, которые могут принимать участие в обводнении горных выработок при добыче железной руды на одном из месторождений КМА. Верхний комплекс, представленный горизонтально залегаю­щими карбонатными породами, является наиболее водообильным, проводимость его составляет около 100 м²/сут. Нижний комплекс крутопадающих руднокристаллических пород имеет относительно высокую проницаемость только в пределах рудной полосы шириной около 400 м — здесь его проводимость достигает 70 м²/сут. Водонос­ные комплексы отделены друг от друга толщей относительно водо­упорных пород, которая, однако, практически выклинивается в пре­делах рудной полосы.

При разработке месторождения карьером оба водоносных гори­зонта будут вскрыты горной выработкой, и фильтрация к ней будет носить преимущественно плановый характер (см. рис. 7.6,а). Поэто­му опытно-фильтрационные исследования могли бы, как обычно, ограничиться оценкой горизонтальной проницаемости водоносных комплексов , которая и отражена в приведенных выше значениях проводимости. Однако при подземной разработке добычные горные выработки будут вскрывать лишь руднокристаллическую толщу, так что карбонатный комплекс будет обводнять их не непосредственно, а за счет вертикального перетока — в основном в пределах рудной полосы (см. рис. 7.6,6). Оценить этот процесс можно лишь при нали­чии данных о вертикальной проницаемости разделяющих, а также руднокристаллических пород, определение которых по результатам ОФР весьма затруднительно. По крайней мере на рассматриваемом месторождении эти данные отсутствовали. Оценим возможные отри­цательные последствия, связанные с отмеченной неполнотой инфор­мации; при этом будем ориентироваться на проектный вариант дре­нажа, согласно которому по карбонатной толще проходятся дренаж­ные штреки — для предотвращения поступления воды из нее в до­бычные выработки в руде (согласно схеме на рис. 7.6,в).

поп 1

московский 2

ДИНАМИКА ПОДЗЕМНЫХ 4

вод 4

О, = о_с-G„ =(Д„ — Д₀)(1 -n)-z=y,-z, 44

_/=^^а«.._с._й, ш 85

шшшш 145

^(4^)⁺f,(^r'5)^+£=°- 176

¹±шл ' 280

ДШш§ 443

2 // /^v/W^v/^y/WWv/v/Vi

v / IV I b/£yj^vjv^.

г ” ЕЭ<

~~ raz

73;^J-7-J-T -XT-X^-L: 'T, -f-T ~1 ХПХ.—я,

ДШш§

Рмс. 7.6. Схемы фильтрационных потоков к горным выработкам: а - при вскрытии месторождения карьером; б-г - при подземной выемке руды; 1 - карбонатный водоносный комплекс; 2 - относительно водоупорные породы; 3 - руднокристаллический водоносный комплекс; 4 - породы рудной полосы; 5 - преоб­ладающие направления движения подземных вод. цифрами на рисунке обозначены: 1 - карьер; 2 - подземные добычные выработки; 3 - дренажные штреки

Если параметры вертикальной проницаемости окажутся низки­ми, то профильная структура потока, действительно, будет соответ­ствовать проектным представлениям. В противном же случае горные выработки, пройденные в руднокрйсталлической толще, кардиналь­но изменят эту структуру — за счет интенсивного вертикального перетока (см. рис. 7.6,г); тоща выработки в карбонатной толще ока­жутся практически бесполезными.

Следовательно, в создавшейся ситуации проект не может счи­таться окончательным без дополнительной информации о парамет­рах вертикальной проницаемости. Так как эту информацию могут принести лишь дорогие (крупномасштабные и длительные) экспери­менты , то разумно ориентироваться на специальное водопониже- ние, придав ему одновременно и опытные, и эксплуатационные (т.е. целесообразные по условиям отработки месторождения) функции. Например, проводя откачку из руды группой эксплуатационных скважин, можно с их помощью добиться необходимого снижения напоров на участке первоочередного вскрытия рудного тела. Если же при этом будет должным образом оборудована также дополнитель­ная группа наблюдательных скважин, то такое водопонижение одно­временно выполнит роль эксперимента, направленного на оценку искомых параметров вертикальной проницаемости. Обработав ре­зультаты опытно-эксплуатационного водопонижения, можно будет принять окончательные проектные решения относительно схемы дренажа месторождения.

В целом последовательная реализация трех рассмотренных здесь принципов схематизации позволяет подойти к проведению изысканий и наблюдений как к элементам единого процесса модели­рования гидрогеолоигческих условий изучаемого объекта. Роль соб­ственно схематизации в этом процессе весьма многогранна. В част­ности, важно, что она позволяет увязать разнородную информацию в рамках единой расчетной модели, оценить полноту и качество информации, достоверность модели в целом (точнее — возможность модельного представления объекта на требуемом уровне адекватно­сти). Наконец, ясно, что именно посредством последовательной схе­матизации, поэтапного построения расчетной модели осуществляет­ся управление разведочным процессом.

Можно надеяться, что простейшие примеры этого раздела помог­ли вам убедиться в том, насколько большое значения для эффектив­ности гидрогеологической схематизации имеет компетенция гидро­геолога в сфере динамики подземных вод. Обратим внимание, что примеры эти были выбраны из области гидрогеологических исследо­ваний на месторождениях полезных ископаемых, благодаря чему содержание данного раздела позволяет теснее связать эту главу с последующей.

Имея в виду большие глубины залегания водоносных пород (более 400 м).

| ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДОВ ДИНАМИКИ

I

I ПОДЗЕМНЫХ ВОД ПРИ РЕШЕНИИ | ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ | И ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ | ПРОБЛЕМ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ | ТВЕРДЫХ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

Продолжая начатое в гл. 7 ознакомление с возможными эффек­тивными приложениями теории ДПВ, мы рассмотрим ряд достаточно сложных инженерных задач, возникающих при гидрогеологическом и инженерно-геологическом анализе условий разработки месторож­дений твердых полезных ископаемых. Такой выбор объясняется как исключительной практической и, в частности, экономической важ­ностью этого направления гидрогеологических и инженерно-геоло­гических исследований [9, 26 ], так и сложностью и большим разно­образием решаемых задач. В первых двух разделах рассматриваются задачи смешанного — гидрогеомеханического — характера, имею­щие прямое отношение и к гидрогеологическим, и к инженерно-гео­логическим исследованиям (впрочем, то же можно сказать и о по­следнем разделе гл. 7). В заключительных двух разделах разобраны методы прогноза гидродинамического и гидрохимического режима подземных вод, поэтому раздел 8.3 полезно прочитать сразу после гл. 4, а раздел 8.4 — после 6.4.

Остается еще заметить, что, за редкими исключениями, анализи­руемые здесь задачи представляют интерес не только для горного дела, но и для многих других отраслей народного хозяйства, применительно к которым ведутся гидрогеологические и инже­нерно-геологические исследования.

1. Анализ деформаций и устойчивости пород при горных разработках

Из инженерной практики хорошо известно, что решение многих задач, традиционно относимых к категории инженерно-геологиче­ских, немыслимо без внимательного учета гидрогеологической об­становки. При этом возникает необходимость рассмотрения массива горных пород и фильтрующихся в нем подземных вод как единой механической системы, что возможно лишь при комплексном гидро- геомеханическом подходе, базирующемся на принципах и методах как механики горных пород (механики грунтов), так и динамики подземных вод [22 ]. Необходимость такого подхода к исследованию задач фильтрации уже неоднократно иллюстрировалась нами в пред­шествующих главах (приведитепримеры).

Особенно яркое подтверждение важности гидрогеомеханиче- ских построений дают инженерные задачи, связанные с анализом деформаций и устойчивости пород при горных разработках. При этом подземные воды проявляют себя в трех различных аспектах:

а) как сидовой фактор, меняющий напряженное состояние по­род;

б) как фактор, вызывающий деформации горных пород вследст­вие процессов механического выноса и растворения;

в) как фактор, непосредственно изменяющий прочность горных пород.

В данной книге уместно уделить основное внимание первому и, в какой-то мере, второму аспектам. Кроме того, интересно попутно рассмотреть возможности использования подземных вод как индика­тора напряженного Состояния и деформаций горных пород. Перейдем к конкретным инженерно-геологическим задачам, играющим важ­ную роль в практике освоения месторождений твердых полезных ископаемых.

1. Осадка толщ горных пород при глубоком водопонижении

Эксплуатация глубокйх шахтных стволов, пройденных через водоносные толщи с установкой сплошной водонепроницаемой кре­пи, нередко сопровождается деформациями крепи с последующими прорывами шахтных вод в ствол. И, как это не покажется парадок­сальным на первый взгляд, такие деформации нередко возникают по мере того, как нД шахтном поле проводится снижение напоров в водоносных слбях, призванное обеспечить нормальные условия фун­кционирования горных выработок. Между тем причина этих дефор­маций становится вполне очевидной, если мы вспомним основной принцип подземной гидростатики (см. раздел 1.3). Согласно ему, снижение напоров подземных вод приводит к росту эффективных напряжений и к сжатию толщи горных пород, которое, кстати, хоро­шо фиксируется по оседанию земной поверхности в зоне влияния водопонижения. Жесткая же крепь ствола оказывается неспособной выдержать большие деформации продольного сжатия без разруше­ния.

Для прогноза деформаций оседания и для разработки специаль­ных видов (неразрушающейся) крепи необходимо, согласно изло­женному в разделе 1.3, знать коэффициенты сжимаемости горных пород и приращения эффективных напряжений. Последние эквива­ленты изменениям напора в тех или иных точках области влияния водопонижения. При этом необходимо учитывать, что снижение на­поров распространяется не только по тому водоносному комплексу, из которого ведется откачка во^ы, но и по смежным с ним относитель­но слабопроницаемым пластам ; повышенная же сжимаемость пород этих пластов может приводить к тому, что именно они будут давать основную долю осадки. По этой же причине существенная часть откачиваемой воды может поступать не из самого водоносного пла­ста, а из относительных водоупоров.

Обратимся к примеру Южно-Белозерского железорудного мес­торождения [9 ] (см. рис. 1.20). Здесь снижение напоров в песчаном пласте (мощность т ¹ 15 м, коэффициент сжимаемости а_с = 0,0045 мПа"¹) составило около 200 м, что привело к осадке поверхности почти на 3 м. Основную долю в осадке дало сжатие относительно водоупорной толщи органогенных известняков (т * 30 м, а_с * 0,03 мПа ^_1), подстилающей пески. Соответственно, упругая водоотдача пласта известняков оказалась здесь на порядок выше, чем у песков; следовательно, из 2-3 тыс. м³ воды, ежечасно откачиваемой на мес­торождении, большая доля приходится на относительно водоупорные породы.

Таким образом, основным исходным элементом для прогноза процесса оседания должна являеться модель (аналоговая или числен­ная) водоносной системы с перетеканием, на которой определяются понижения как и водоносных слоях, так и в относительно водоупор­ных. При этом необходимо учитывать, что снижение напоров в по­следних идет только при градиентах, превышающих начальные 1_Н (см. раздел 1.5). Так, если снижение напоров в водоносном пласте равно S, то в водоупорном пласте оно отмечается лишь в прилежащей зоне мощностью m_e-S/I_H. Например, на Южно-Белозерском место­рождении водоносные пески перекрыты мощной пачкой глин (около 30-40 м); однако деформации сжатия в глинах отмечаются лишь в зоне мощностью в несколько метров, что объясняется высоким зна­чением начального градиента — примерно 70 (т_в * 200: 70 ~3 м).

Полезно еще отметить, что рассмотренная задача об оседании толщи горных пород открывает интересные возможности для опреде­ления параметров сжимаемости пород с помощью специального опытного водопонижения: наблюдая за деформациями сжатия от­дельных слоев по глубинным реперам и зная понижения напоров, т.е. дополнительные нагрузки на породы этих слоев, легко найти их коэффициенты сжимаемости. Точность такого определения оказы­вается несравненно выше, чем при лабораторных опытах, в частно­сти, вследствие устранения масштабных эффектов.