Оценка гидрогеологических и инженерно-геологических условий Стойленского месторождения

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-2-06

                                                                      _____________.

                                                 Проверил: д.т.н. проф.Гальперин А.М.

                                                                     доц. Щекина М. В.                                                                                   
 
 
 
 
 
 

Москва,2007г 

Оглавление:

1. Введение………………………………………………………………….........стр.2                                 

2. Текстовая часть…………………………………………………………..........стр.3

2.1.Характеристика Стойленского железорудного месторождения …………стр.3

3. Графическая часть……………………………………………………….......стр.10

3.1. План  поверхности участка месторождения, гидроизогипс безнапорного водоносного горизонта и гипсометрии кровли водоупора…………………..стр.10

3.2. План  поверхности участка месторождения,  гидроизопьез напорного водоносного горизонта и гипсометрии почвы верхнего водоупора………...стр.11

3.3. Гидрогеологический разрез по линии II-II……………………………….стр.12

3.4. Инженерно-геологическая и гидрогеологическая колонка……………..стр.13

4. Расчетная  часть…………………………………………………………........стр.14

4.1. Определение  гидрогеологических параметров………………………….стр.14

4.2. Определение скоростной высоты…………………………………….......стр.16

4.3. Движение  подземных вод…………………………………………….......стр.17

4.3.1. Движение  подземных вод в напорном пласте. Определение расхода подземного  потока в напорном пласте………………………………………..стр.17

4.3.2. Движение  подземных вод в безнапорном пласте. Определение расхода подземного потока в безнапорном пласте…………………………………….стр.19

4.4. Движение  подземных вод к искусственным  дренам…………………….стр.21

4.4.1. Движение  напорных вод к совершенной  вертикальной дрене. Определение  величины притока воды к дрене……………………………………………….стр.22

4.4.2. Движение безнапорных вод к совершенной вертикальной дрене. Определение величины притока воды к дрене……………………………….стр.25

4.5. Определение  инженерно-геологических условий  месторождения…….стр.29

4.5.1. Определение показателей состояния горных пород…………………...стр.29

4.5.2. Гранулярный  состав горных пород. Обработка  результатов комбинирования гранулометрического  анализа песчано-глинистых пород…………………………………………………………………………….стр.31

5. Заключение…………………………………………………………………...стр.37

6. Список литературы…………………………………………………………..стр.38

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. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     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^оС устанавливаются в конце ноября – начале декабря; среднесуточная температура самого холодного месяца (января) -8,4^оС; абсолютная минимальная температура -41^оС, наибольшая глубина промерзания почвы 180см; снеготаяние начинается в мае. Среднемесячная температура самого жаркого месяца (июня) +41^оС. 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.  

Геологической 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.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Расчетная часть.

     Определение гидрогеологических параметров. 

I. Расчет для безнапорного водоносного горизонта.  

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

                          H₁-H₂                                 176-175

    i =                          =                           = 0.0026                      

                   l                             380

где Н₁=176м и Н₂=175м – напоры воды в скв.4 и 10 соответственно; l – фактическое расстояние между скважинами в метрах. 

2. Приведенная скорость фильтрации определяется по формуле Дарси:

v=i k_ф=0,0026^.5=0,013 м/сут,

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

3. Действительная (фактическая) скорость фильтрации воды

         V            0.013

U= = =0.66м/сут,

     µ            0.02

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

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

т.1   181-176=5м

т.2   179,8-175=4,8м 

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

т.1   176-163,4=12,6м

т.2   175-165=10м 
 
 
 
 
 
 
 
 

II. Расчетная часть для напорного водоносного горизонта. 

1. Определяем  гидравлический градиент 

                           H₁-H₂                                 171-170

    i =                          =                           = 0,003                      

                   l                             320 

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   183-171=12м

т.2   182,8-170=12,8м 

5. Мощность  НВГ равна мощности вмещающих  его трещиноватых известняков  перхуровского возраста и составляет 20м 

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

т.1  171-155,2=15,8м

т.2  170-160=10м. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Определение скоростной высоты.

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

P= ^.h^.g=1^.7^.9,8=68,6 т/м²=0,686кПа, 

где   - плотность воды,  

       h=7м – 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 прах горных пород, является гидростатический напорН_г, представляющий совокупность пьезометрической h_p  и геометрической z  высот. Для безнапорного водоносного горизонта в центральной скважине №  применительно к выбранной т.А.