Оценка гидрогеологических и инженерно геологических условий Стойле

Федеральное агентство по образованию

Московский государственный горный университет

Кафедра геологии

Курсовая работа

по гидрогеологии и инженерной геологии

по теме «Оценка гидрогеологических и инженерно-геологических условий Стойленского месторождения»

Выполнил: ст. гр. ТО-3-08

Романов В. В.

Проверил: д.т.н. проф. Гальперин А.М.

к.т.н. Щекина М. В.

Москва, 2009 г.

Оглавление:

1. Введение

2. Характеристика Стойленского железорудного месторождения

3. Графическая часть:

План поверхности участка месторождения, гидроизогипс безнапорного водоносного горизонта и гипсометрии кровли водоупора.

План поверхности участка месторождения, гидроизопьез напорного водоносного горизонта и гипсометрии почвы верхнего водоупора. Гидрогеологический разрез по линии II-II

Сводная инженерно-геологическая и гидрогеологическая колонка

4. Расчетная часть

4.1 Определение гидрогеологических параметров

4.2 Определение скоростной высоты

4.3 Движение подземных вод

4.3.1 Движение подземных вод в напорном пласте. Определение расхода подземного потока в напорном пласте.

4.3.2 Движение подземных вод в безнапорном пласте. Определение расхода подземного потока в безнапорном пласте

4.4 Движение подземных вод к искусственным дренам

4.4.1 Движение напорных вод к совершенной вертикальной дрене. Определение величины притока воды к дрене

4.4.2 Движение безнапорных вод к совершенной вертикальной дрене. Определение величины притока воды к дрене

4.5 Определение инженерно-геологических условий месторождения

4.5.1 Определение показателей состояния горных пород

4.5.2 Гранулярный состав горных пород. Обработка результатов комбинирования гранулометрического анализа песчано-глинистых пород

5. Заключение

6. Список литературы

1. Введение

Теоретической основой при выполнении курсовой работы являются знания, при изучении цикла геологических дисциплин – «Основы геологии», «Месторождения полезных ископаемых», «Гидрогеология и инженерная геология».

Полученные в результате анализа имеющихся данных гидрогеологической разведки и расчетов показатели позволяют оценить характер и режимы водоносных горизонтов и принять действенные меры по дренированию горных выработок. Умение построить, читать и анализировать гидрогеологические планы, разрезы и другую документацию является неотъемлемой частью подготовки горных инженеров. Выполненное задание является исходным материалом для написания геологической части дипломных проектов и проектирования дренажных работ.

2. Характеристика Стойленского месторождения

Общие сведения о районе месторождения

Территория занимает часть Среднерусской возвышенности и в морфологическом отношении представляет невысокое плато, изрезанное оврагами и балками. Наиболее крупные реки – Сейм, Оскол, характеризующиеся равнинным режимом с высоким весенним половодьем и низкой летней меженью, средняя величина модуля стока составляет 4 л/с с 1 км² .

Климат территории умеренно-континентальный с продолжительным летом и холодной зимой. Среднесуточные температуры воздуха ниже 0^о С устанавливаются в конце ноября – начале декабря; среднесуточная температура самого холодного месяца (января) -8,4^о С; абсолютная минимальная температура -41^о С, наибольшая глубина промерзания почвы 180см; снеготаяние начинается в мае. Среднемесячная температура самого жаркого месяца (июня) +41^о С. По количеству выпавших осадков территория относится к умеренно-влажной зоне. В году 130-170 дней с осадками. Средняя многолетняя сумма годовых остатков 400-600 мм; максимум осадков приходится на летние месяцы – в июле при ливнях выпадает 100 мм осадков и более. Однако вследствие ливневого характера и высокого испарения почвы (до 75% общей суммы осадков) дождевые воды почти не пополняют запасы подземных вод.

Значительная инфильтрация происходит осенью при длительных моросящих дождях и весной при снеготаянии. Зимой преобладают ветры юго-западного направления, весной – восточного и юго-восточного направлений, летом – западного и северо-западного.

Скорость ветра на территории изменяется от 2-2,8 м/с летом и до 4-6 м/с зимой.

Месторождение приурочено к исконам Воронежского докембрийского кристаллического массива асимметричного строения. Северный склон довольно пологий, южный – крутой. Рельеф докембрийского массива отличается большой сложностью. Сбросы, возникшие в процессе образования Днепровско-Донецкой впадины, обуславливают наличие в ней системы уступов, а денудация и выветривание привели к образованию обширной густой сети глубоких впадин (древняя эрозионная сеть). Кристаллический массив сложен сланцами, гнейсами, кварцитами, известняками протерозойского возраста, отличающимся высокой степенью метаморфизма. В результате тектонических движений породы протерозойского комплекса собраны в сложную систему складок. Верхняя зона этих пород под воздействием процессов сильно изменена, в результате окисления железистых кварцитов образовались мартитовые, мартитово-магнетитовые и мартито-железнослюдковые кварциты. К коре выветривания железистых кварцитов приурочены залежи богатых железных руд.

Кристаллические породы перекрыты комплексом палеозойских и кайнозойских осадочных пород, преимущественно морского происхождения. Наличие сравнительно мощных пластов выдержанных по площади водонепроницаемых пород предопределяет общие потоки подземных вод на территории КМА, которая является областью распространения Днепровско-Донецкого (северо-восточное крыло) и Московского (южное крыло) артезианских бассейнов.

Геологическое строение месторождения

Стойленское месторождение железных руд и железистых кварцитов расположено в центральной части северо-восточной полосы КМА. В геологическом строении месторождении участвуют сильно дислоцированные метаморфические породы докембрия, в которых выделяются железорудная свита Курской серии протерозоя. Их трансгрессивно перекрывают осадочные породы палеозойского, мезозойского и кайнозойского возрастов мощностью от 50 до 200 м. Осадочные породы сверху вниз представлены суглинками, песками, песчаниками, рудными и безрудными брекчиями.

Кора выветривания железистых кварцитов, имеющая мощность от 5 до 80 м, представлена богатыми рудами, переходящими с глубиной в окисленные и полуокисленные железистые кварциты.

Литолого-стратиграфическое подразделение и характерные особенности в геологическом разрезе месторождения отражены в стратиграфической колонке (табл. 1).

Месторождение приурочено к юго-восточной части Тим-Ястребовской синклинали. Породы смяты в сложные, глубокие и узкие синклинальные и антиклинальные складки, преимущественно северо-западного простирания с крутым (60^о -90^о ), нередко опрокинутым падением крыльев. В северной части месторождения развиты интрузии диоритов и габбро-диоритов, в юго-восточной части – интрузии конгломератов.

Широкое развитие имеют межпластовые и секущие дайки, а также жилы ультраосновных пород – диорит-порфиритов и гранитов мощностью от 10 см до 20 см. Железорудная свита сложена железистыми кварцитами и сланцами. Мощность ее изменяется от 400 м на северо-востоке до 800 м на юго-западе. В составе ее выделяют две подсвиты кварцитов и две подсвиты сланцев. Интенсивная складчатость докембрийских образований обусловила крутое, нередко почти вертикальное залегание рудных пластов. Площадь залежи железистых кварцитов по кровле составляет 4,1 км² , детальная разведка выполнена до глубины 460 м (отметка – 250 м ), отдельными скважинами до 700 м. Граница рудных тел с осадочной толщей резкая, неровная.

Характеристика полезного ископаемого

Граница между богатыми рудами и кварцитами чаще всего четкая. По степени окисления и технологическим свойствам железистые кварциты разделяют на неокисленные Fe_раст /Fe_маг > 0,6, полуокисленные Fe_раст /Fe_маг =0,6-0,3, окисленные Fe_раст /Fe_маг < 0,3. Неокиленные кварциты слагают 93,7% запасов месторождения.

Залежь неокисленных кварцитов имеет сложное строение, характеризуется частым переслаиванием различных минералогических разновидностей железистых кварцитов и наличием прослоев сланцев, на ряде участков она пересекается большим количеством даек диорит-порфиритов. Мощность пластов и пачек отдельных типов кварцитов от 1-2 до 10-20 м , изредка достигает 50 м; мощность даек изменяется от 10 до 20 м . Полуокисленные кварциты (0,7% запасов) образуют подзону неполного окисления железистых кварцитов. На месторождении выделяют восемь разобщенных линзообразных залежей полуокисленных кварцитов площадью от 16 до 550 тыс. м² и общей площадью 1,5 км² , мощность их достигает 27,2 м, в среднем составляет 4,5 м. Почва и кровля залежей неровные, с уступами и впадинами. Рудоносность полуокисленных кварцитов на всех участках почти одинакова.

Окисленные кварциты представляют собой подзону полного окисления железистых кварцитов, которая сплошной покровной залежью перекрывает окисленные и полуокисленные кварциты. Мощность их колеблется от 0,2 до 56 м. На долю окисленных кварцитов приходится 5,6% запасов. Основные породообразующие минералы железистых кварцитов – кварц, магнетит, рудная слюда; в разных залежах присутствуют магнезиально-железистые алюмосиликаты. В зависимости от минерального состава и количественного соотношения минералов, железистые кварциты подразделяются на 4 типа: магнетитовые (47,5% общих запасов), силикатно-магнетитовые (37,2%), железнослюдково-магнетитовые (14,6%), а также слаборудные кварциты (0,7%).

Кварциты месторождения тонкозернистые, размеры зерен в среднем равны 0,05-0,08 мм, размеры агрегатов магнетита 0,1-0,5 мм. В зависимости от минералогического состава материнских пород на месторождении выделяются следующие разновидности богатых руд: магнетито-мартитовые – 50%, лимонито-мартитовые и лимонитовые – 25% и железнослюдково-мартитовые – 10% общих запасов. Главные рудообразующие минералы – мартит, магнетит, лимонит, железная слюда и кварц; второстепенные – сидерит, кальцит, хлорит, пирит. Содержание железа в рудах колеблется от 25 до 68%. По морфологии и особенностям залежи железистых кварцитов в пределах месторождений выделяются западный, центральный, северо-восточный и юго-восточный участки.

Западная часть залежи характеризуется относительно простым строением и равномерной рудоносностью; содержание Fe_общ колеблется в блоках от 32,25 до 36,92%; Fe связанного с магнетитом – от 28,54 до 29,77%.

Центральная часть залежи имеет сложное внутреннее строение по сравнению с другими частями и характеризуется наименьшей рудоносностью, что обусловлено большим количеством даек диорит-порфиритов, наличием зон дробления и повышенным количеством сланцев в рудной зоне. При среднем объемном количестве даек в контуре, равном 3,3%, в центральной части количество их составляет 6,3-12,7% общего объема. Содержание Fe_общ в блоках колеблется от 32,7 до 34,06%, связанного с магнетитом от 26,36 до 28,3%. На участке замыкания центральной антиклинали, на границе со сланцами, наблюдается обеднение железистых кварцитов – содержание Fe_раст снижается до 22-25%, связанного с магнетитом до 16,2-18,2%.

Северо-восточная часть залежи характеризуется сложным строением и относительно высокой рудоносностью. Содержание Fe_общ составляет 34,52-36,10%, связанного с магнетитом – 27,6-29,38%. Наиболее высокое содержание Fe_общ (38,27-39,39%) и связанного с магнетитом (33,10-33,77%) наблюдается в северо-восточной части месторождения. Юго-восточная часть залежи характеризуется относительно простым строением. Но в пределах ее развито наибольшее количество даек диорит-порфиритов.

Общая рудоносность по строению структуры юго-восточной части выдержана. Содержание Fe_общ в блоках составляет от 33,4 до 34,84%, а связанного с магнетитом от 27,3 до 28,55%. Здесь так же, как и в центрально части залежи, наблюдается обеднение железистых кварцитов.

Гидрогеологические условия месторождения

Гидрогеологические условия месторождения обусловлены геоморфологическими и структурными особенностями его расположения на водораздельном плато, расчлененным глубоко врезанной овражной сетью, и ограничением с севера, юга и востока долинами рек Осколька, Чуфички, Оскола, а также двухъярусным строением массива.

На месторождении имеет сплошное распространение сеноман-альбский каньон – туронский и рудно-кристаллический водоносные горизонты (табл.2). В целом для них характерна гидравлическая взаимность и связь с поверхностными водами, невыдержанность мощности и состава вмещающих пород, однородность состава и незначительная минерализация вод, общность источников питания и дренирования.

Приуроченные к сеноман-альбской толще, водоносный горизонт характеризуется безнапорным или слабо напорным режимом. Расходы горизонта компенсируются инфильтрующей частью дождевых и талых вод в местах выхода трещиноватых меловых пород на поверхность. Юрские и неокомские песчано-глинистые отложения вследствие их частичного размыва являются лишь относительным водоупором.

Рудно-кристаллический напорный горизонт приурочен к выветренной зоне докембрийского комплекса пород. Водообильность горизонта определяется характером трещиноватости пород. Питание осуществляется за счет вышележащего водоносного горизонта на участках выветривания или в местах малой мощности юрских и неокомских песчано-глинистых отложений. Среднее значение коэффициента фильтрации для выветривания кварцитов 2-2,5 м/сут, невыветрелых 0,02-0,07 м/сут. В связи со сложными гидрогеологическими условиями разработка месторождения производится при предварительном осушении, осуществляемом комбинированным способом – глубинным водоотливом.

Таблица 2

Инженерно-геологические условия

Геологический разрез месторождения характеризуется многоярусным строением; инженерно-геологические ярусы составляют два структурных этажа – верхний и нижний.

Верхний этаж представлен породами осадочного комплекса. Лессовидные суглинки по физико-механическим свойствам близки к аналогичным породам Михайловского месторождения. Наиболее слабыми являются аллювиальные глины. Мергельно-меловые породы представлены трещиноватым мелом, переходящим на отдельных участках в трещиноватый мергель. Прочность этих пород определяется трещиноватостью массива. Высыхание мелов в приповерхностных зонах и процессы выветривания приводят к их осыпанию. Под воздействием динамических нагрузок происходят тектонические изменения. Сеноман-альбские пески представлены средне- и мелкозернистыми разностями, слабо сцементированными окислами железа. Пески обладают хорошей водоотдачей, коэффициент неоднородности К_н =3-5, на участке высачивания отмечается оплывание, в сцементированных разностях – фильтрационный вынос вдоль трещин.

Неокомские и юрские глинистые пески и песчаные гидрослюдистые глины достаточно однородны по механическим свойствам. Небольшим набуханием обладают юрские глины при нормальных нагрузках до 2 кг/см² (0,2 МПа) (в песчаных глинах неокома около 0,5 кг/см² (0,05 МПа)). Ощутимое разупрочнение пород (сцепление падает до 50% исходного) отмечается в местах удаленных от поверхности обнажения на 4-5 м; с увеличением глубины прочность пород не уменьшается. Девонские отложения имеют ограниченное распространение и состоят из нерудных брекчий, песчаников, пестро-цветных плотных глин, характеризуются относительно высоким показателем прочности. Нижний этаж представлен скальными и полускальными разностями, при этом наименее прочными являются межрудные сланцы, породы даек и рыхлых руд. На участках распространения рыхлых разновидностей руд в ходе разработки отмечаются осыпи; обводненность пород рудной толщи не влияет на их устойчивость.

4. Расчетная часть

4.1 Определение гидрогеологических параметров

I . Расчет для безнапорного водоносного горизонта

1. Гидравлический градиент – это потеря напора на единицу длины пути фильтрации:

H ₁ - H ₂ 177-176

i = = = 0.002

l 540

2. Приведенная скорость фильтрации - скорость, принимаемая из условий проницаемости минерального скелета породы- определяется по формуле Дарси:

v = i * k _ф =0,002^* 5=0,01 м/сут ,

где k _ф =5 м/сут – коэффициент фильтрации (для БВГ).

3. Действительная (фактическая) скорость фильтрации воды в породах с учетом их физического состояния(трещина, поры и т.п.)

V 0.01

U = = =0.5м/сут,

µ 0.02

где µ - эффективная пористость породы, численно равная величине водоотдачи.

4. Глубина залегания зеркала воды определяется разностью абсолютных отметок поверхности земли и зеркала воды, взятых для одной и той же точки.

т.1 187-177=10м

т.2 188-176=12м

5. Мощность водоносного горизонта определяется разностью абсолютной отметки зеркала воды и кровли водоупора, на котором сформировался водоносный горизонт.

т.1 177-154=23м

т.2 176-153,5=22,5м

II . Расчетная часть для напорного водоносного горизонта

1. Определяем гидравлический градиент

H ₁ - H ₂ 173-172

i = = = 0,003

l 350

2. Приведенная скорость фильтрации

v = i k =0,003^* 12=0,036 м/сут ,

где k =12 м/сут – коэффициент фильтрации для НБГ

3. Действительная (фактическая) скорость фильтрации воды.

V 0.036

U = = =3,6 м/сут,

µ 0.01

где µ - эффективная пористость породы, численно равная величине водоотдачи.

4. Глубина залегания ПУНВГ (установившегося пьезометрического уровня) равна разности отметок поверхности земли и отметок ПУНВГ.

т.1 188-173=15м

т.2 187-172=15м

5. Мощность НВГ равна мощности вмещающих его трещиноватых известняков перхуровского возраста и составляет 15м

6. Определяем напорность НВГ , которая равна разности отметок ПУНВГ и кровли водоносного пласта (почвы верхнего водоупора)

т.1 173-147,5=25,5м

т.2 172-151,5=20,5м.

4.2 Определение скоростной высоты

Вода в состоянии покоя при отсутствии внешних сил и на свободной поверхности обладает гидростатическим давлением .

P = ^* h * g =1^* 8^* 9,8=78,4 т/м² =0,78кПа,

где - плотность воды,

h =8м – высота столба метра,

g =9,8м-с² – ускорение свободного падения.

На поверхности воды, связанной с атмосферой, атмосферное давление Р=100КПа=0,1МПа .

Энергетическим показателем воды, которая находится в порах горных пород, является гидростатический напор Н_г , представляющий совокупность пьезометрической h_p и геометрической z высот. Для безнапорного водоносного горизонта в центральной скважине применительно к выбранной т.А.

H _Г = h_p + z =8+20=28м.

Вода при движении обладает и кинетической энергией, доля которой оценивается величиной скоростного напора (или скоростной высотой) h_v .

u ² 3,6² (3.6/86400)²

h_v = = = =8.85^. 10^-6 м,

2 g 19,6 19,6

где u – действительная скорость движения воды, размерность которой при расчетах переводится в м/с.

Тогда H _Г = h_p + z + h_v =28+8,85^. 10^-6 м,

где h – высота столба воды в выработке с проницаемыми стенками или дном, измеряемая от дна выработки, z - это геометрическая высота от дна выработки до горизонтальной плоскости сравнения напоров.

Т. к. скоростная высота слишком мала и стремиться к нулю, то ею можно пренебречь.

4.3 Движение подземных вод

4.3.1 Движение подземных вод в напорном пласте

Рассчитаем приток воды НВГ в подземную выработку шириной В=100м, находящуюся между скважинами и и вскрывающую водоносный пласт трещиноватых известняков на всю его мощность т.

Определяем расход потока с учетом действительной скорости движения вод

mBk _ф ( H ₁ - H ₂ )

Q = =m ^. B ^. u =6*100*3,6=2160 м³ /сут.

l ^. 

Расход потока на его ширине, равной единице, называется единичным расходом и обозначается q . Для нашей выработки определяем q на 1 погонный метр:

mk _ф ( H ₁ - H ₂ ) B

q = = m u =6*3,6=21,6 м³ /сут.

l ^.  100

Единичный расход позволяет оперативно определить приток воды в выработку при проходке и вовремя вводить в действие откачивающее оборудование. Например. Если за смену пройдено 6 м штрека, то дополнительный расход составит

Q = q 6=21,6 ^. 6=129,6 м³ /сут.

Уравнение депрессионной кривой

x 175

Н=Н₁ - ( H ₁ - H ₂ )=172- (172-171)=171,5 м;

l 350

x 180

Н=Н₁ - ( H ₁ - H ₂ )=173- (173-172)=172,5 м;

l 360

x 260

Н=Н₁ - ( H ₁ - H ₂ )=174- (174-173)=173,5 м.

l 520

Таким образом, депрессионная кривая подземных вод для данного примера является прямой линией, что свидетельствует об установившемся режиме движения подземных вод.

4.3.2 Движение подземных вод в безнапорном пласте

Определяем приток воды в траншею длиной 100 м, пройденную перпендикулярно направлению фильтрации между скважинами и до плотных глин московского возраста.

Расход потока при его ширине В равен с учетом фактической (действительной) скорости движения воды в БВГ

Bk _ф ( H ₁ ² - H ₂ ² ) 100 ^. 5(176² -175² )

Q = qB = = =8775 м³ /сут.

2 l ^.  2 ^. 350 ^. 0.02

Уравнение для единичного расхода потока через известный напор H ₁ и неизвестный напор Н в сечении на расстоянии х от начала координат:

k _ф ( H ₁ ² - H ₂ ² ) 5(176² -175² )

q = = =87,75 м³ /сут.

2 l ^.  2 ^. 350 ^. 0.02

Уравнение депрессионной кривой

29-04-2015, 01:00