Гидрологические и горнотехнические условия Ленинградского месторождения (по Н. Г. Паукеру)

Ленинградское месторождение по условиям обводненности относится к категории сложных. Оно расположено в пределах краевой части крупного артезианского бассейна (западное крыло Московской синеклизы), содержащего огромные ресурсы подземных вод, приуроченных к закарстованным известнякам ордовика. Сложность гидрогеологических условий на месторождении определяется развитием карстовых процессов на глубинах ниже современного базиса эрозии и наличием больших поверхностных водоемов и водотоков.

Большое количество атмосферных осадков, маломощный покров четвертичных отложений и заболоченность области питания обеспечивают постоянное пополнение подземных вод.

В естественных условиях общий сток подземных вод происходит в сторону Балтийского моря (на северо-запад), но в пределах шахтных полей он уже нарушен, так как естественный режим подземных вод изменен эксплуатацией, и сток происходит к искусственно созданной депрессионной воронке.

В геологическом разрезе месторождения Н.Г. Паукер выделяет восемь водоносных горизонтов: 1) докембрийский, 2) гдовский, 3) надляминаритовый, 4) песчаных отложений кембро-ордовика, 5) ордовикский водоносный комплекс с тремя подгоризонтами, 6) нарвский, 7) лужский и 8) четвертичный.

Трещинные воды кристаллического фундамента не играют никакой роли в формировании гидрогеологических условий месторождения. He установлено также влияние вод гдовского и надляминаритового горизонтов на обводненность месторождения. Мало влияния оказывают и пластовые воды кембро-ордовикского горизонта.

Главную роль в обводненности месторождения играют воды ордовикского водоносного комплекса.

Ордовикский водоносный комплекс подразделяется на три подгоризонта: 1) таллинско-кукерский, 2) итферско-кукерский, 3) иевско-везенбергский.

Перечисленные водоносные горизонты изолированы друг от друга местными относительно выдержанными водоупорами.

Во всех подгоризонтах развиты трещинно-пластовые и карстовопластовые воды, отличающиеся по гидрогеологическим признакам, режиму и химизму.

В то же время вследствие циркуляции вод по вертикальным тектоническим трещинам (по которым развивается карст), пересекающим подгоризонты ордовикского, комплекса, происходит некоторое смешение вод различных подгоризонтов.

Практически воды каждого водоносного подгоризонта ордовика по-разному влияют на обводненность горных выработок и имеют различные пьезометрические поверхности.

В пределах ордовикского водоносного горизонта наиболее надежным местным водоупором служит промышленная пачка горючих сланцев, которая отделяет таллинско-кукерский водоносный подгоризонт от итферско-кукерского. Менее надежным водоупором, разделяющим итферско-кукерский подгоризонт от иевско-везенбергского, являются прослоек (0,2 м) известковистой глины, залегающей на границе между итферским и шундоровским (губковые слои) горизонтами, и глинистые известняки с пропластками глин и известковисто-глинистых горючих сланцев шундоровского горизонта средней мощностью около 16 м (от 11 до 21 м).

Таллинско-кукерский подгоризонт не выдержан по мощности и водонепроницаемости, но везде имеет напорные воды. Средняя мощность подгоризонта 25 м (19—32 м). Воды этого подгоризонта приурочены к доломитизированным известнякам таллинского горизонта и нижним слоям кукерских (ниже промышленные пачки горючих сланцев). Пьезометрические уровни вод этого горизонта находятся выше отметок подошвы промышленной пачки. При бурении подземных скважин из горных выработок наиболее интенсивный излив воды начинается на глубине 7—10 м. Это объясняется тем, что не все слои нижней части кукерского горизонта одинаково водоносны. В пределах месторождения известняки кукерского горизонта, как правило, глинистые, плотные, содержат много прослойков известково-глинистых сланцев. Поэтому наибольшая водообильность этих известняков, а также и известняков таллинского горизонта приурочена к трещиноватым и закарстованным зонам.

В 1959—1961 гг. при бурении скважин из подземных выработок всех четырех шахт проводились опыты по выяснению связи между водоносными горизонтами и, в частности, проверялось наличие водоупора между водами пакерортского (оболового) подгоризонта и таллинско-кукерского подгоризонтов. Установлено наличие относительной изоляции оболового горизонта от ордовикского водоносного комплекса. При проходке указанных скважин слабонапорные воды встречаются только при вскрытии кавернозных известняков таллинского горизонта, а при вскрытии оболовых песчаников напор и расход воды возрастает в 20—30 раз. Даже при вскрытии пустот в таллинском горизонте на интервале в 2 м расход воды составляет 3—4 м3/час, а после углубления скважин в оболовые пески пакерортского горизонта сразу возрастает до 20—30 м3/час и на большей глубине достигает 60 м3/час. Наличие водоупора также подтверждается опытными работами. Н. Г. Паукер в качестве одного из аргументов, подтверждающих выделение водоносного подгоризонта ордовика, приводит результаты наблюдений прорыва воды из водосборника на шахте № 3. Водосборник, углубленный ниже почвы промышленной пачки, не встретил воды до глубины 4,8 м и только на этой глубине из трещин разлома и нескольких бурок стала поступать вода. Первоначальный приток составил 4 м3/час, а через 4 месяца достиг 90 м3/час. Источником этих вод являлись глубокие закарстованные зоны таллинско-кукерского водоносного подгоризонта. На шахте им. С.М. Кирова в 1941 г. также наблюдались прорывы воды из породы почв промышленной пачки, которые сопровождались взламыванием почвы выработок.

В целом, не считая тектонических и закарстованных зон, этот подгоризонт характеризуется сравнительно небольшой водообильностью. Очаги прорыва воды из почвы выработок после достижения максимума имеют устойчивый дебит.

Удельные дебиты скважин колеблются от сотых и тысячных долей до 5 м3/час, а в карстовых зонах достигают 15 м3/час. Коэффициенты фильтрации в среднем 1,8 м/сутки (от 0,05 до 14,3 м/сутки).

Итферско-кукерский подгоризонт включает верхнюю часть (около 9 м) кукерских глинистых скрытокристаллических известняков и карбонатные породы иторфского геологического горизонта, представленные глинистыми и органогенными известняками с прослоями мергелей. В отличие от нижележащего водоносного подгоризонта итферско-кукерский подгоризонт в наибольшей степени сдренирован горными выработками. По данным Н.Г. Паукера, над выработанными пространствами образовались «безводные зоны».

В целом водообильность этого подгоризонта невысокая. Питание происходит в полосе более удаленной, чем питание вышележащего горизонта, но по трещинкам он подпитывается водами верхнего подгоризонта.

В пределах отработанного пространства поверхность вод итферско-кукерского подгоризонта свободная, а в сторону от выработок воды имеют напор.

Коэффициент фильтрации от 0,01 до 3,6 м/сутки, в среднем 0,8 м/сутки, средний удельный дебит в гидрогеологических скважинах 0,4—0,6 м3/час (от 0,004 до 1 м3/час).

Иевско-везенбергский подгоризонт не имеет сплошного распространения и ограничивается с севера Везенбергским уступом. Этот водоносный подгоризонт сложен в нижней части глинистыми известняками (O2), более глинистыми на северо-западе месторождения, а в верхней части — доломитами и доломитизированными известняками, часто пористыми и кавернозными.

Нижним водоупором подгоризонта служат глинистые известняки шундоровского горизонта средней мощностью 16 м (от 11 до 21 м), содержащие пропластки глин. По сравнению с 1-м и 2-м водоносным горизонтами ордовика иевско-везенбергский имеет наибольшие колебания уровня. Коэффициенты фильтрации в среднем 6,7 м/сутки (0,2—21 м/сутки). Удельные дебиты скважин от 0,1—5 до 16м3/час. Поверхность потока обычно свободная, но при наличии верхнего водоупора имеет напор.

Над выработанным пространством шахт этот подгоризонт полностью не сдренирован. Столб воды над горными выработками остается равным 15—20 м. Интенсивная разгрузка потока происходит в берегах р. Плюссы, где имеется много источников, дебит которых, по данным М. А. Готальского, достигал 100 м3/час.

На основании опытных работ 1959—1961 гг. Н.Г. Паукером (табл. 33) выведены усредненные характеристики водоносного комплекса ордовика (1, 2, 3) и кембро-ордовикского водоносного горизонта (4).

Анализ материалов шахтной геологии и опытных работ 1959—1961 гг. показывает, что главная роль в обводнении выработок принадлежит водам ордовикского водоносного комплекса.

Участие вод отдельных подгоризонтов в обводнении шахт следующее: 1-й подгоризонт 18,9%; 2-й подгоризонт 30,3%; 3-й подгоризонт 46,6%. Воды кембро-ордовикского горизонта составляют всего 4,2%. Следовательно, обводнение горных выработок в основном происходит за счет вод, заключенных в известняках кровли и почвы промышленной пачки.

Водопроявления в горных выработках наблюдаются в различных формах: частого и интенсивного капежа, струйных истечений, нисходящих и восходящих потоков, просачивания в канавах и зумпфах.

Наибольшее количество воды дают прорывы, затем трещины закола.

Обводнение выработок со стороны кровли происходит из горизонтальных трещин, расположенных выше 1-го слоя горючего сланца на 0,7—2,0 м из трещин заколов в отработанных лавах и из карстовых трещин северо-восточного простирания. С последними связан наибольший приток вод.

Из почвы выработок обычно воды равномерно просачиваются в дренажные канавы из 3-го (нижнего) подгоризонта, но при прорывах. связанных с пересечением выработками тектонических и закарстованных зон, состав вод и дебит зависят от глубины проникновения этих нарушений в нижележащие породы.

За время эксплуатации шахт произошло 38 прорывов воды в горные выработки, некоторые из них имели первоначальный приток 1000 м3/час. В 1961 г. водоотлив из четырех шахт составил в среднем 3020 м3/час за год откачано 26,5 млн. м3 воды.

Коэффициент водообильности шахт изменяется от 5 до 19 м3 воды на 1 т добываемого сланца; в 1961 г. он был равен 8,5 м3/т, а в среднем за весь послевоенный период — 10,5 м3/т.

В довоенные годы при прорыве в шахте им. С. М. Кирова величина его доходила до 40 м3/т.

Приток воды на единицу площади выработанного пространства снижается, так как в результате эксплуатационных работ происходит дренаж всего месторождения (особенно 2-го и 3-го подгоризонтов). Поэтому, несмотря на непрерывное расширение площади, занятой горными выработками, величина притока воды в скважины теперь стабилизировалась. Приток воды в 1961 г. по сравнению с 1957 г. уменьшился по всем шахтам с 0,87 до 0,20 м3 на 1000 м2 отработанной площади. Одной из главных причин относительной самостоятельности (в гидравлическом отношении) водоносных подгоризонтов ордовикского комплекса н песчаных отложений кембро-ордовика является химический состав воды.

За время геологических работ 1959—1960 гг. было отобрано на химический анализ 497 проб воды.

Район месторождения по химическому составу подземных вод имеет двухзональное строение и характеризуется хорошей промытостью. Гидродинамические зоны соответствуют примерно гидрохимическим.

В геологическом разрезе данного района пресные воды распространены примерно до глубины 260 м; ниже следуют солоноватые воды.

В табл. 34 приведены усредненные данные химических анализов по этим горизонтам (по Н.Г. Паукеру).

Как видно из таблицы, наблюдается закономерное уменьшение содержания ионов Ca++, Mg++, HCO3- и SO4 и возрастание нонов Na+, Сl-, а также pH сверху вниз.

В первом сверху подгоризонте воды по составу гидрокарбонатные кальциевые, во втором — гидрокарбонатные кальциево-магниевые (с некоторым возрастанием ион-хлора), в третьем — хлоридно-карбонатные натриевые, в четвертом — хлоридные натриевые.