Войти  |  Регистрация
Авторизация

Исследование питания подземных вод по площади за счет инфильтрации и перетекания



Режим грунтовых вод в большинстве случаев определяется инфильтрационным питанием по площади развития горизонтов. Поскольку грунтовые воды обычно имеют более или менее выраженную гидравлическую связь с нижележащими водоносными горизонтами, то инфильтрационное питание может определять режим ряда водоносных горизонтов, от которых зависят условия разработки месторождения.
Важным фактором питания подземных вод по площади являются процессы перетекания через относительные водоупоры. Поэтому с методической точки зрения вопросы изучения инфильтрации и перетекания целесообразно рассматривать совместно, тем более, что два этих процесса нередко проявляются параллельно и результаты их совместного действия практически трудно дифференцировать. Выявление, а тем более количественное определение интенсивности питания по площади требует постановки длительных наблюдений и создания ощутимых понижений напоров (для оценки перетекания), которые подчас невозможно обеспечить при опытно-фильтрационных работах. Поэтому основную роль в определении характеристик питания подземных вод по площади играют режимные наблюдения.
Трудности изучения инфильтрации и перетекания обусловлены:
- неравномерностью интенсивности этих процессов по площади; нестационарностью инфильтрационного питания в годовом цикле и интенсификацией перетекания во времени при увеличении перепадов напоров во взаимодействующих (в питающем и питаемом) горизонтах;
- взаимовлиянием параллельно действующих источников питания подземных вод;
- проявлением дополнительного питания на площади (инфильтрации или перетекания) в условиях нестационарной фильтрации, связанной с осушением месторождения, т. е. на фоне резко изменяющихся уровней подземных вод.
Возникновение интенсивного дополнительного питания по площади в условиях водопонижения часто обнаруживается по сравнительно быстрой стабилизации режима подземных вод при отсутствии или скромной роли других источников питания — поверхностных водоемов или водотоков. Кроме того, питание по площади довольно четко выявляется при расчетах водопроводимости горизонта по результатам режимных наблюдений. В частности, расчет водопроводимости по лентам тока при наличии инфильтрации или перетекания дает явно завышенную величину этого параметра, а расчет по методу круга Чарного иногда дает абсурдные результаты (например, отрицательную величину водопроводимости). Для выяснения изменения интенсивности инфильтрационного питания по сравнению с естественной можно воспользоваться принципом сложения течений, проводя аналоговое моделирование «истории» водопонижения с отсчетом понижений от уровней естественного потока. При увеличении инфильтрационного литания в период водопонижения полученные на модели уровни оказываются ощутимо ниже фактических. При неизменности инфильтрационного питания его можно вообще исключить при дальнейших прогнозах режима подземных вод, базируясь на принципе сложения течений. Этот прием оказывается, например, возможным для прогнозов режима подземных вод в за карстованных, моренных или аллювиальных отложениях, повышенная проницаемость которых обеспечивает интенсивное инфильтрационное питание в естественных условиях. Однако чаще всего при осушении месторождений питание дренируемых водоносных горизонтов по площади заметно интенсифицируется, поэтому прогноз их режима при использовании принципа сложения течений должен проводиться с учетом дополнительной инфильтрации или суммарной инфильтрации (включающей естественную и дополнительную); последний вариант позволяет решать и нелинейные задачи.
Следовательно, для обоснованного прогноза необходимо располагать данными об интенсивности питания по площади в условиях нарушенного при производстве горных работ режима подземных вод. Основным источником такого рода информации являются режимные наблюдения, которые в условиях равномерной инфильтрации и относительной стационарности режима подземных вод в расчетный период обычно могут проводиться в рамках общей программы наблюдений, направленных на решение основной задачи по выявлению эффективности дренажа. При обработке результатов режимных наблюдений для получения величины инфильтрации в максимальной степени используются также данные о расходах подземного потока (производительности дренажа).
Определение интенсивности инфильтрации или перетекания проводится по карте гидроизогипс, предварительно разбитой на характерные (расчетные) участки, причем желательно, чтобы процесс рассматривался в условиях квазистационарного режима, когда для надежной оценки интенсивности инфильтрации или перетекания необходимо, чтобы в пределах выбранного расчетного участка эти факторы проявлялись в уровнях достаточно четко. Желательно, чтобы разница в уровнях, полученных с учетом и без учета инфильтрации или перетекания, составляла не менее 15—20% от перепада уровней на границах расчетного участка, который, в свою очередь, должен значительно превышать погрешности замера уровней. При одномерном характере потока в пределах расчетного участка число точек с известными уровнями, необходимое для оценки инфильтрации, должно быть не менее трех, а расстояние между точками должно составлять величину порядка
Исследование питания подземных вод по площади за счет инфильтрации и перетекания

где Iср — средний уклон потока; T — его проводимость; ω — интенсивность инфильтрации.
Кроме того, необходимо располагать величиной проводимости водоносного горизонта, ибо расчетная интенсивность инфильтрации прямо пропорциональна расчетной величине проводимости; поэтому только информация о расходах подземного потока определяет однозначность решения данной задачи. Величину инфильтрации в пределах выделенной ленты пока можно определить аналитически после приведения двумерной ленты к эквивалентной плоской специальным расчетным приемом или методами аналогового моделирования. При достаточно густой сети наблюдательных скважин определение инфильтрации целесообразно выполнять на двумерной плановой модели, на которой проводится подбор токов, подаваемых в узловые точки и соответствующих искомому инфильтрационному расходу на элементарном участке. В простых условиях для решения обратной плановой задачи достаточно иметь на расчетном участке 10—15 скважин, а при фильтрационной неоднородности исследуемого горизонта требуются значительно большее число опорных наблюдательных скважин и четкая информация об изменении водопроводимости по площади.
Рассмотрим методику решения задачи по определению интенсивности инфильтрационного питания по площади на примере Старооскольского железорудного района KMA Региональная модель надъюрского комплекса включала территорию площадью примерно 900 км2 с карьерными полями в центральной части. В пределах рассматриваемой территории расположено около 50 наблюдательных скважин, оборудованных на надъюрский водоносный комплекс. Модель отражала фильтрационную неоднородность надъюрского комплекса по площади (проводимость изменяется от 350 м2/сут на периферийных участках до 500—700 м2/сут вблизи Лебединского и Южно-Лебединского карьеров). Центральная часть поля моделировалась электропроводной бумагой, а периферийные участки — сеткой дискретных электрических сопротивлений (около 100 узловых точек). Комбинированная модель такого рода дает возможность реализовать на бумажной ее части сложные контуры внутренних областей питания и стока (реки, карьеры) в удобном геометрическом масштабе и, в то же время, позволяет существенно расширить границы моделируемой области за счет сеточной части модели. Кроме того, сеточная часть модели удобна для задания в узловые точки силы тока, соответствующей инфильтрационному питанию.
В первом варианте моделирования на внешних границах региональной модели задавались потенциалы, отвечающие напорам в соответствующих точках натуры, а на внутренних границах (карьеры, водозаборы контуры р. Осколец, гидроотвала, хвостохранилища) задавались расходы (водозабор, хвостохранилищ, гидроотвал, участок долины р. Осколец) или напоры (карьеры, дренирующая часть долины р. Осколец).
Задача решалась в стационарной постановке. Моделирование без учета инфильтрации по площади показало, что во до-притоки к карьерам на 30—40% ниже фактических, а уровень подземных вод значительно ниже фактических. Максимальное различие модельных и фактических уровней (на 10—15 м) наблюдалось на участках вблизи карьерных полей. Поэтому второй вариант моделирования на комбинированной модели был связан с подбором интенсивности инфильтрации по площади, который проводился при тех же граничных условиях, что и в первом варианте. Подбором силы тока, подаваемого в каждую узловую точку модели от дополнительного высоковольтного источника, воссоздавалась фактическая картина распределения уровней надъюрского водоносного комплекса.
Результаты моделирования показали, что интенсивность инфильтрационного питания неравномерна по рассматриваемой территории и изменяется от 0,01 до 1,2 мм/сут. В распределении инфильтрации по площади наблюдается определенная зональность (рис. 17), характеризующаяся увеличением интенсивности инфильтрации от периферийных границ района к карьерным полям. Суммарная величина инфильтрационного питания по всей рассматриваемой территории составляет 4900 м3/ч, а по площади депрессионной воронки — около 3400 м3/ч, что составляет 35% от суммарной величины водопритока к карьерам. Средняя интенсивность инфильтрации по всей рассматриваемой территории площадью 788 км2 составляет величину 55 мм/год, а по площади депрессионной воронки (386 км2) — около 80 Мм/год, однако эти средние величины не являются характерными в силу резкой неравномерности инфильтрации. Приведенные результаты характеризуют квазистационарный режим надъюрского водоносного комплекса на декабрь 1971 г. Очевидно, на этот момент питание водоносного комплекса по площади соответствует некоторой минимальной норме, отражающей лишь в определенной мере влияние просачивания атмосферных и талых вод в весенне-летний и осенний периоды.
В условиях нестационарного режима фильтрации выявление величины инфильтрационного питания по площади затруднено и практически может быть осуществлено лишь при известных величинах водоотдачи и водопроводимости водоносных горизонтов, Между тем определить истинную величину уровнепроводности по данным опытно-фильтрационных работ часто невозможно. Поэтому для периода строительства и эксплуатации горного предприятия прогнозы нестационарного режима часто приходится практически проводить, используя величину расчетной (условной) водоотдачи пород, полученной решением обратной задачи для первых стадий водопонижения, когда этот параметр по существу отражает не только статические запасы воды, но и инфильтрационное питание. Таким образом, действительный процесс осушения представляется в весьма схематичном виде, однако этот прием позволяет осуществлять достаточно надежные прогнозы режима подземных вод на время, соизмеримое с продолжительностью того периода, для которого была получена расчетная величина водоотдачи.
Исследование питания подземных вод по площади за счет инфильтрации и перетекания

Например, для условий Ирша-Бородинского буроугольного месторождения величина условной водоотдачи угольного водоносного горизонта по результатам режимных наблюдений была получена нами равной 0,05—0,1, в то время как трещиноватость углей, определяющая истинную водоотдачу горизонта, составляет не более 0,01—0,02. Расчетная (условная) водоотдача в данном случае косвенно учитывает в совокупности питание угольного горизонта по площади за счет инфильтрации атмосферных осадков и перетекания из надугольного и подугольного водоносных горизонтов.
Однако использование величины расчетной водоотдачи не позволяет дать прогноз установившегося режима фильтрации, который должен иметь место при полном развитии процессов инфильтрации или перетекания. Для такого прогноза необходимо определить интенсивность инфильтрации решением обратной задачи в нестационарной постановке при известной (заданной) величине истинной водоотдачи; последняя может быть, в частности, получена по результатам кустовых откачек, при которых площадное питание обычно существенно не проявляется, или путем непосредственного определения по образцам пород, отобранным из осушенных зон. В зависимости от полноты исходной информации решение обратной задачи в нестационарной постановке позволяет оценить интенсивность инфильтрации не только в многолетнем цикле, но и сезонные ее изменения. Например, для условий KMA таким образом нами получены данные об изменениях инфильтрации в годовом цикле для нескольких лет (рис. 18).
Исследование питания подземных вод по площади за счет инфильтрации и перетекания

Интенсивность перетекания также оценивается по результатам режимных наблюдений, причем на рассматриваемом участке должно быть не менее 10 скважин,
Как известно, напоры водоносного пласта с учетом перетекания на площади между двумя границами, расстояние между которыми равно L, определяются по зависимости
Исследование питания подземных вод по площади за счет инфильтрации и перетекания

где ΔHх — разность напоров двух взаимодействующих горизонтов в точке с координатой х, отсчитываемой от границы, на которой напоры этих горизонтов одинаковы; ΔHL — разность напоров горизонтов на расстоянии x=L;
Исследование питания подземных вод по площади за счет инфильтрации и перетекания

T2 и T1 — проводимости питающего к питаемого горизонта; kи и mb — коэффициент фильтрации и мощность слабопроницаемого прослоя.
Для того чтобы разница напоров в средней части участка, полученных с учетом и без учета перетекания, составляла не менее 20% перепада напоров на границе участка (ΔHx≥0,2 ΔHL), необходимо выполнить условие
Исследование питания подземных вод по площади за счет инфильтрации и перетекания

Условие (II. 5а) выполняется при b0x≤1,2.
Наиболее достоверные данные об интенсивности перетекания могут быть получены при обработке результатов наблюдений, выполненных в период установившегося режима фильтрации; интерпретация сводится к определению параметра перетекания ξ = kb/mbT1. Примером может служить приведенное В.В. Aнтоновым на сеточной электрической модели определение параметра перетекания в рудно-кристаллический водоносный горизонт через неоком-юрские глины в районе Южно-Лебединского карьера (KMA). Разность напоров надъюрского и рудно-кристаллического горизонтов достигала здесь 30—40 м, мощность неоком-юрских глин (разделяющий слой) изменяется от 0 до 30 м. Площадь исследований составила 5 км2, число наблюдательных скважин — 10, число точек модели — 100. По границам модели задавались потенциалы, соответствующие напорам в исследуемом горизонте, а на вершины дополнительных сопротивлений, подключенных к узловым точкам, подавались потенциалы, отвечающие уровням надъюрского горизонта. Исходные величины дополнительных сопротивлений назначались исходя из мощности разделяющего слоя глин. Затем все эти сопротивления изменялись в одинаковое число раз, чем достигался грубый подбор потенциалов на сетке. Далее осуществлялся подбор сопротивлений в отдельных точках по достижении полного соответствия перетекания потенциалов на сетке фактическим напорам в рудно-кристаллическом горизонте. Параметр перетекания определялся исходя из подобранной величины дополнительного сопротивления по зависимости
Исследование питания подземных вод по площади за счет инфильтрации и перетекания

где Rx — сопротивление пространственной сетки модели; Rдоп — дополнительное сопротивление; F — площадь элементарного участка сетки (F = ΔxΔy).
Для условий Южно-Лебединского месторождения параметр перетекания изменяется от ξ = 10в-7 мв-2 до 1—2,5*10в-5 м-2, при среднем значении 10в-6 м-2. Изменчивость параметра перетекания хорошо согласуется с геологическим строением и составом разделяющего водоупора: минимальные величины параметра получены в северной части месторождения, где большее развитие имеют жирные разности глин, проницаемость которых может быть оценена коэффициентом фильтрации порядка 10в-5 м/сут. Для южной части месторождения проницаемость песчаных глин оценивается коэффициентом фильтрации порядка 0,001—0,1 м/сут. Отметим, что в данном примере выдерживается условие (II.5а), так как
Исследование питания подземных вод по площади за счет инфильтрации и перетекания

(при T2=500 м2/сут, T1=25 м2/сут, x=1000 м).
Определение интенсивности перетекания при решении задач в нестационарной постановке обычно вызывает серьезные затруднения, поэтому в прогнозах перетекание, аналогично инфильтрации, практически можно учитывать введением величины фиктивной водоотдачи (для времени, соизмеримого с продолжительностью периода наблюдений). При определении расчетной водоотдачи по данным режимных наблюдений нередко выявляется определенная зональность в распределении этой величины по площади. Например, для условий Ленинградского месторождения горючих сланцев на плановой емкостной электрической модели по результатам режимных наблюдений получена величина упругой водоотдачи кукерского водоносного горизонта, изменяющаяся от 0,07 в границах шахтного поля до 0,015 за его пределами. По результатам опытно-фильтрационных работ, величина водоотдачи кукерского горизонта в пределах рассмотренной площади составляет 0,005—0,01 (при водопроводности, близкой к полученной при моделировании). Интенсификация питания кукерского горизонта в пределах шахтного поля, нашедшая свое выражение в расчетной величине фиктивной водоотдачи, определяется улучшением взаимосвязи между водоносными слоями в результате подработки толщи. На модели были также определены — в пределах той же площади — параметры таллинского водоносного горизонта, залегающего в подошве горных выработок и отделенного от них пачкой мергелей и глинистых известняков. Результаты моделирования (величины водопроводности, водоотдачи) практически совпали с данными кустовых откачек, причем на модели не получено ясно выраженной зональности в распределении величины водоотдачи по площади, что свидетельствует о весьма слабом питании таллинского горизонта за счет перетекания (ввиду малой проницаемости разделяющих водоупорных слоев, не нарушенных горными работами).
Добавить комментарий
Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
  • bowtiesmilelaughingblushsmileyrelaxedsmirk
    heart_eyeskissing_heartkissing_closed_eyesflushedrelievedsatisfiedgrin
    winkstuck_out_tongue_winking_eyestuck_out_tongue_closed_eyesgrinningkissingstuck_out_tonguesleeping
    worriedfrowninganguishedopen_mouthgrimacingconfusedhushed
    expressionlessunamusedsweat_smilesweatdisappointed_relievedwearypensive
    disappointedconfoundedfearfulcold_sweatperseverecrysob
    joyastonishedscreamtired_faceangryragetriumph
    sleepyyummasksunglassesdizzy_faceimpsmiling_imp
    neutral_faceno_mouthinnocent