Промышленные и минеральные воды

Промышленные - воды, содержащие некоторые компоненты в концентрациях, позволяющих их извлекать для промышленных целей. Залегают они на глубинах более 500м, занимают небольшие площади. Для них характерны йод, бром, бор, литий, германий, медь, цинк, алюминий и вольфрам.

Минеральные - воды, оказывают благотворное физиологическое влияние на человеческий организм в силу общей минерализации, ионного состава, содержания газов и активных компонентов. Их минерализация превышающей 1 г/л (солоноватые – до 10 г/л, соленые – 10-35 г/л, рассолы – свыше 35 г/л). Встречаются лечебные воды с минерализацией до 1 г/л с высоким содержанием специфических биологически активных компонентов. Минеральные воды делят на холодные (до 20С), теплые (20-37С), термальные (37-42С), горячие (свыше 42С). Они делятся также на железистые, мышьяковистые, сероводородные, углекислые, радоновые, йодные, бромные. Провинции углекислых вод приурочены к областям альпийской складчатости (Кавказ, Памир, Камчатка и др.), хлоридных – к глубоким частям крупных артезианских бассейнов.

2.8 Физические свойства и химический состав подземных вод

Простейшую формулу Н₂О имеет молекула парообразной влаги – гидроль; молекула воды в жидком состоянии (Н₂О)₂ дигидроль; в твердом состоянии (Н₂О)₃ –тригидроль.

Изучение физических свойств и химического состава подземных вод необходимо для оценки их качества для питьевых и промышленно-хозяйственных целей, выяснения условий питания, происхождения, и при выборе материала для крепления горных выработок и подборе шахтного оборудования.

Основные физические свойства подземных вод - температура, прозрачность, цвет, запах, плотность, радиоактивность.

Температура подземных вод изменяется в широких пределах: в областях вечной мерзлоты она до -6С, в районах вулканической деятельности – более 100С.

По температуре воды делятся на весьма холодные – до +4С; холодные – 4-20С; теплые – 20-37С; горячие –37-42С; весьма горячие – 42-100С. Температура воды сильно влияет на скорость протекания физико-химических процессов.

Температура неглубоко залегающих подземных вод +5 - +15С, глубоко погруженных вод артезианских бассейнов - +40- +50С; на глубине 3-4 км вскрыты воды с температурой более 150С.

Прозрачность воды зависит от наличия минеральных солей, механических примесей, коллоидов и органических веществ. Подземные воды прозрачные, если в слое 30 см не содержат взвешенных частиц.

Цвет вод зависит от химического состава и наличия примесей. Обычно подземные воды бесцветны. Жесткие воды имеют голубоватый оттенок, закисные соли железа и сероводород придают воде зеленовато-голубую окраску, органические гуминовые кислоты окрашивают воду в желтый цвет, а воды, содержащие соединения марганца – черные.

Запах подземных вод отсутствует. Специфический запах может быть обусловлен присутствием соединений сероводорода, гуминовых кислот, органических соединений, образующихся при разложения животных и растительных остатков. Для определения запаха воду подогревают до 50-60С.

Вкус воды зависит от присутствия в ней растворенных минеральных веществ, газов и примесей. Хлористый натрий придает воде соленый вкус, сернокислые соли натрия и магния – горький, азотистые соединения – сладковатый, а свободная углекислота – освежающий. При определении вкуса воду подогревают до 30С.

Плотность воды обусловлена растворенными в ней солями, газами, взвесями и температурой.

Радиоактивность обусловлена присутствием природных радиоактивных элементов: урана, радона, радия, продуктов их распада – гелия, их формирование определяется геологическими, гидрогеологическими и геохимическими факторами.

Из-за наличия трех изотопов водорода – ¹Н (протий), D (дейтерий), Т (тритий) и шести изотопов кислорода ¹⁴О, ¹⁵О, ¹⁶O, ¹⁷O, ¹⁸O, ¹⁹O имеются 36 изотопных разновидностей воды, из которых только девять стабильные.

Соединение D₂O называется тяжелой водой, содержание которой в природе составляет 0,02.

Изучение состава и свойств подземных вод производится на всех стадиях разведки, а также в процессе вскрытия и эксплуатации месторождений.

Исследование состава подземных вод преследует основные цели:

- выяснение их пригодности для хозяйственно-питьевого и технического водоснабжения;

- оценка возможного вредного влияния вод на бетонные и металлические конструкции шахт и горное оборудование.

Химический состав подземных вод позволяет судить также об особенностях формирования и питания подземных вод, взаимосвязи водоносных горизонтов.

Химический состав подземных вод определяется количеством и соотношением содержащихся в них ионов (минерализацией воды), жесткостью, количеством и составом растворенных и нерастворенных в воде газов, реакцией воды (рН), агрессивностью и пр.

Главнейшими химическими компонентами подземных вод - катионы – Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, анионы – HCO₃^-, Cl^-, SO₄^2-, микрокомпоненты – Fe²⁺, Fe³⁺, Al³⁺, Mn²⁺, Cu²⁺, Zn²⁺, Br, I, N, газы – N₂, O₂, CO₂, CH₄, H₂, комплексные органические соединения – фенолы, битум, гумус, углеводороды органические кислоты.

Химический состав подземных вод выражают в ионной форме в мг/л и г/л.

Главные источники этих компонентов - горные породы, газы атмосферы, поверхностные воды и геохимические условия, которые сложились в пределах площади распространения.

По минерализации подземные воды могут быть пресными, с минерализацией до 1 г/л, слабосолоноватыми – 1-3 г/л: солеными – 3-10 г/л, очень солеными – 10-50 г/л и рассолами – более 50 г/л.

Жесткость воды (Н) – свойство воды, обусловленное присутствием в ней солей кальция и магния. Выражается жесткость в мг^.экв/л. Различают жесткость общую, временную и постоянную.

Общая жесткость оценивается содержанием солей Са²⁺ и Mg²⁺ в виде Ca(HCO₃)₂, Mg(HCO₃)₂, CaSO₄, MgSO₄, CaCl₂, MgCl₂ и вычисляется суммированием этих ионов в мг^.экв/л.

, (2.5)

где значения Са²⁺ и Mg²⁺ приведены в мг/л;

20,04 и 12,16 – эквивалентные массы кальций-иона и магний- иона.

Временная жесткость обусловлена гидрокарбонатными и карбонатными солями Са²⁺ и Mg^2+:(Ca(HCO₃)₂, Mg(HCO₃)₂, CaCO₃ иMgCO₃).

Временная жесткость:

, (2.6)

где значение HCO₃^- берется в мг/л, 61,018 – его эквивалентная масса.

Постоянная жесткости обусловлены хлоридами, сульфатами и некарбонатными солями кальция и магния. Определяется как разность между общей и временной жесткостью:

Н_пост. = Н_общ. – Н_вр. (2.7)

Выражается жесткость в мг^.экв./л Ca²⁺ и Mg²⁺ в 1 мг^.экв./л жесткости.

Природные воды подразделяются по степени жесткости на пять групп (мг^.экв./л): очень мягкие – до 1,5; мягкие – 1,5-3; умеренно жесткие – 3,0-6,0; жесткие – 6,0-9; очень жесткие – 9,0.

Щелочность обусловлена наличием в воде щелочей Na⁺ - NaOH, Na₂CO₃ и NaHCO₃. 1 мг^.экв./л щелочности соответствует 40 мг/л NaOH; 53 мг/л NaCO₃ и 84,22 мг/л NaHCO₃.

Активная реакция воды – степень ее кислотности или щелочности, характеризующаяся концентрацией водородных ионов рН (десятичный логарифм концентрации ионов водорода, взятый с положительным знаком): очень кислые - 5; кислые – 5-7; нейтральные – 7; щелочные – 7-9; высоко щелочные 9.

Агрессивность воды – способность разрушать бетон, железобетонные и металлические конструкции. Различают сульфатную, углекислую, выщелачивания магнезиальную и общекислотную виды агрессии.

Сульфатная агрессия определяется повышенным содержанием иона SO₄^2-. При избытке иона SO₄^2- происходит кристаллизация в бетоне новых соединений: образуется гипс CaSO₄ ^. 2H₂O с увеличением объема на 100 % и сульфоалюминат кальция (бетонная бацилла) с увеличением объема в 2,5 раза, что приводит к разрушению бетона. Вода агрессивна к бетону при содержании иона SO₄^2- - свыше 250 мг/л.

Углекислая агрессивность. При воздействии угольной кислоты происходит растворение и вынос из бетона CaCO₃^-. При избытке СО₂ наблюдается переход СаСО₃ в Са(НСО₃)₂, который легко растворяется и выносится из бетона.

Избыток СО₂ 20 мг/л называется агрессивной углекислотой.

Агрессивность выщелачивания происходит за счет растворения и вымывания из бетона извести СаСО₃ при дефиците в воде иона НСО₃^-. Воды, содержащие менее 30 мг/л связанной углекислоты и жесткостью до 1,4 мг/л агрессивные.

Магнезиальная агрессивность приводит к разрушению бетона при повышенном содержании Mg²⁺. В зависимости от сорта цемента, условий и конструкции сооружения, иона SO₄^2-, более 250 мг/л, предельно допустимое количество ионов Mg²⁺ 750-1000 мг/л.

Общекислотная агрессивность зависит от концентрации водородных ионов рН. Вода обладает коррозирующими свойствами при рН 6,5.

2.9 Формирование химического состава подземных и шахтных вод

Подземные воды постоянно взаимодействуют с атмосферными водами и горными породами. В результате происходит растворение и выщелачивание горных пород, особенно карбонатов, сульфатов, галоидов. Если в воде присутствует углекислота, происходит разложение нерастворимых в воде силикатов по следующей схеме:

Na₂ Al₂ Si₆ O₁₆ + 2H₂O + CO₂ NaCO₃ + H₂ Al₂ Si₂O₈ (2.8)

В результате в воде накапливаются карбонаты и гидрокарбонаты натрия, магния, кальция. Распространение их подчиняется общей гидрохимической зональности. Вертикальную гидрохимическую зональность определяют геологические условия формирования подземных вод, связанные с особенностями состава, строения и свойств горных пород.

В вертикальном разрезе земной коры выделяют три гидродинамические зоны [1]:

а) верхняя – интенсивность водообмена, мощностью от десятков до нескольких сотен метров. Здесь подземные воды находятся под влиянием современных экзогенных факторов. По составу – гидрокарбонатные кальциевые маломинерализованные воды. Водообмен исчисляется годами и столетиями (в среднем 330 лет);

б) средняя – замедленного водообмена. Глубина зоны изменчива (примерно 3-4 км). Скорость движения подземных вод и их дренаж уменьшается. На состав вод этой зоны оказывают влияние вековые изменения экзогенных условий. Воды натриевые, сульфатно-натриевые или сульфатно-натриево-кальциевые. Водообмен длится десятки и сотни тысяч лет;

в) нижняя – весьма замедленного водообмена. Экзогенные условия здесь не оказывают никакого влияния. Приурочены обычно к глубоким частям впадин. Распространены на глубинах более 1200 м и более. Воды высокоминерализованные, по составу хлоридные кальциево-натриевые и хлоридно-магниево-натриевые. Возобновление подземных вод составляет миллионы лет.

Соответственно гидродинамическим выделяются гидрохимические зоны. Гидрохимическая зона - часть артезианского бассейна, относительно однородная по гидрохимическому строению;

г) верхняя – пресных вод с минерализацией до 1 г/л мощностью 0,3-0,6 м;

д) промежуточная, солоноватых и соленых вод с минерализацией 1-35 г/л;

е) нижняя – рассолов (более 35 г/л).

На формирование химического состава подземных вод месторождений твердых полезных ископаемых существенно влияют окислительные и восстановительные условия, которые складываются в процессе горных работ.

Для угольных месторождений характерны два типа природной обстановки: в верхних частях – окислительная, на глубоких – восстановительная.

При отработке угля искусственно создаётся окислительная обстановка, в которую попадают подземные воды, нарушается ход естественных химических процессов.

В более глубоких горизонтах воды насыщены более стойкими соединениями (NaCl, Na₂SO₄), малоактивны и устойчивы к окружающей среде.

По мере их передвижения по выработкам, в воде увеличивается содержание Ca²⁺, Mg²⁺ и SO₄^-, повышается жесткость и минерализация. В меньшей степени возрастает содержание Na⁺, Cl^-, Al₂O₃, SiO₂, Fe₂O₃.

При уменьшении рН иногда исчезает СО₃^2- и появляется НСО₃^-. Содержание СО₂ и О₂ изменяется в зависимости от обстановки.

Наибольшие изменения претерпевают подземные воды, поступающие в виде капежей, особенно в очистных выработках. Кислые воды образуются только на верхних горизонтах, куда поступают подземные воды низкой минерализации и обладающие меньшей щелочностью. Обычно кислые воды формируются в старых заброшенных выработках.

Кислые воды являются хорошими растворителями, вследствие чего минерализация их быстро повышается по мере протекания по выработкам.

Зона возможного образования кислых вод охватывает подземные воды, где в составе их сильные кислоты преобладают над щелочами. Нижняя граница совпадает с верхней границей метановой зоны (примерно глубина 150 м) и с верхней границей – распространения натриевых. Максимальные мощности зоны возможного образования кислых вод 350-400 м.

Шахтные воды агрессивны, в верхних частях обладают сульфатной, в нижней – агрессивностью выщелачивания.

2.10 Режим подземных вод - совокупность изменений во времени уровня, напора, расхода, химического и газового состава, температурных условий, скорости движения подземных вод.

Изменение режима подземных вод происходит под влиянием природных (климатических и структурных) факторов и техногенной деятельности человека. Особенно резкие изменения их режима наблюдаются в горнодобывающих районах. Водоотливы из горных выработок уменьшают напоры подземных вод, а иногда полностью осушают водоносные пласты, нарушая природный режим подземных вод. Горные выработки или дренажные системы повышают коэффициент водообмена, возникающие деформации поверхности способствуют увеличению подземного стока; отмечается взаимосвязь водоносных горизонтов и с поверхностными водами.

В одних условиях количество откачиваемых шахтных вод может компенсироваться естественным притоком подземных вод, в других – интенсивный приток в горные выработки приводит к истощению ресурсов подземных вод шахтного поля или месторождения.

При эксплуатации глубоких горизонтов в соответствующих геологических условиях происходит обычно изменение притока шахтных вод с глубиной, не зависящее от их ресурсов.

Для условий Донбасса наибольшая водообильность наблюдается на глубинах 150-200 м, ниже 300-500 м водопритоки уменьшаются. При горизонтальном залегании пластов и приуроченности водоносных горизонтов к пористым породам притоки шахтных вод в паводковые периоды не превышают 20-25 %. Наклонное залегание пород способствует сезонному увеличению паводковых вод на 50, 100 % и больше. Особенно резкие колебания наблюдаются при наличии карстующихся пород с увеличением притока до 300-400 %.

Нарушения естественного режима подземных вод возникает уже в самом начале шахтного строительства, при проходке стволов.

Вскрываются многие водоносные горизонты каменноугольных отложений до глубин 500-600 м, а при закладке глубоких шахт – до 1000-1200 м. Но поскольку крепление стволов осуществляется вслед за углубкой, притоки в них незначительные и составляют 10-20 м³/час, в отдельных районах (Красноармейский) до 70-100 м³/час. Поэтому вокруг шахтных стволов не наблюдается широких депрессий и в зону осушения попадают незначительные площади.

Дальнейший дренаж подземных вод происходит при проведении подготовительных выработок, особенно квершлагов, вскрывающих по несколько водоносных горизонтов, но притоки не превышают 10-15 м³/час. Интенсивное осушение наблюдается при очистных работах, при обрушении и оседании пород над выработанным пространством. Сопровождается образованием трещин, связывающих разобщенные до этого водоносные горизонты, залегающие над разрабатываемыми пластами в пределах 30-50-кратной мощности угольного пласта.

В дальнейшем происходит задавливание трещин обрушения и уменьшение их водопроницаемости, приток в лаву на этом участке будет уменьшаться или полностью прекратится и уровни подземных вод восстанавливаются до уровней поверхности общей шахтной депрессии. Формирующиеся над очистными выработками депрессионные воронки являются временными, мигрируют по площади отработки вслед за перемещением забоя лавы.

При неглубоком залегании пласта полезного ископаемого зона водопроводящих трещин может достигать земной поверхности и водопритоки в шахту будут формироваться за счет просачивания атмосферных осадков по площади очистных работ.

При вскрытии тектонических нарушений притоки составляют 300-400 и более м³/час, иногда 1000 м³/час.

В результате подработки горными работами водоносных горизонтов имеют место отдельные случаи вывода из строя водозаборов подземных вод.

2.11 Происхождение подземных вод.

1) инфильтрационные подземные воды – образуются в результате просачивания в водопроницаемые породы атмосферных осадков. Иногда наблюдается поступление воды в водоносные горизонты из рек, озер и морей. Можно считать инфильтрацию основным источником пополнения подземных вод, распространенными в верхних горизонтах с интенсивным водообменом.

2) конденсационные подземные воды. В засушливых районах большую роль в формировании водоносных горизонтов играет конденсация водяных паров воздуха в порах и трещинах горных пород, возникающая за счет разности упругости водяных паров атмосферного и почвенного воздуха. В результате конденсации в пустынях образуются линзы пресных вод над солеными грунтовыми водами.

3) седиментогенные подземные воды – воды морского происхождения. Они образовались одновременно с накоплением осадков. В ходе последующего тектонического развития такие воды изменяются при диагенезе, тектонических движений, попадая в зоны повышенных давлений и температур. Большую роль в формировании седиментогенных вод отводят элизионным процессам (элизио – обжимаю). Первичные осадки содержат до 80-90 % воды, при уплотнении которых происходит их отжим. Естественная влажность горных пород 8-10 %.

4) ювенильные (магматогенные) подземные воды образованы из паров, выделяющихся из магмы при ее остывании. Попадая в области более низких температур пары магмы конденсируются и переходят в капельно-жидкое состояние, создавая особый тип подземных вод. Такие воды обладают повышенной температурой и содержат в растворенном состоянии необычные для поверхностных условий соединения и газовые компоненты. Приурочены к областям современной вулканической деятельности. Вблизи поверхности такие воды смешиваются с обычными подземными водами.

5) возрожденные (д егидратационные) воды образуются при выделении ее из минеральных масс, содержащих кристаллизационную воду. Такой процесс возможен при повышенных температурах и давлениях.

Контрольные вопросы

1. Назовите основные задачи и разделы гидрогеологии и инженерной геологии.

• Охарактеризуйте круговорот воды в природе.

• Назовите основные виды воды в горных породах.

• Назовите основные водно-физические свойства подземных вод.

• Охарактеризуйте типы подземных вод по условиям залегания и основные их особенности.

• Назовите физические свойства подземных вод.

• Какие основные параметры определяются при химическом составе подземных вод.

• Сформулируйте понятие режим подземных вод. Как изменяется режим шахтных вод?

• Охарактеризуйте типы подземных вод по происхождению.