Мониторинг подземных вод в условиях угольного разреза «Восточный» в Экибастузском каменноугольном бассейне

Даутов Э. Х., Калиаскарова М. А.

Экибастузский каменноугольный бассейн открыт в 1876 году, период систематического геологического изучения бассейна начался с 1940 года. К настоящему времени бассейн разведан на всю глубину залегания угольных пластов. Гидрогеологические исследования в бассейне начались в 1947 году, одновременно с разведочными на уголь работами. Они заключались в проведении механических откачек из скважин колонкового бурения и кратковременном водоотборе из разведочных шурфов или колодцев.

razrez-vostochny-01-razrez-vostochny-01-678x452

По состоянию на 01.01.2026 в сети числится 25 наблюдательных скважин, прослеживающих гидродинамическую и гидрохимическую ситуацию карьерного и отвального техногенеза.

По степени сложности разрабатываемые разрезом «Восточный» геологические участки относится ко II группе со сложными гидрогеологическими условиями вследствие невыдержанности мощности, строения и фильтрационных свойств водовмещающих пород при простых гидрохимических условиях. Подземные воды формируются в ограниченных по площади структурах. Влияние отбора подземных вод на окружающую природную среду незначительное.

По условию залегания водовмещающих пород и характеристике циркулирующих в них вод в пределах Экибастузского каменноугольного бассейна выделяются разновозрастные поровые, порово-трещинные и трещинные воды. Возраст водоносных подразделений при их описании принят по современным принципам стратификации. Возраст верхнеордовикских отложений жарсорской свиты датируется нижним девоном. В районе Экибастузского бассейна выделены следующие водоносные подразделения:

—      локально-водоносный горизонт верхнечетвертичных-современных озёрных и делювиально-пролювиальных отложений (ldpQIII-IV);

—      локально-водоносный горизонт верхнеолигоценовых аллювиально-делювиально-пролювиальных отложений чаграйской свиты (P33cgr);

—      водоносный комплекс пород нижне-среднекаменноугольных углисто-терригенных отложений (С1v1-C2);

—      водоносный комплекс пород верхнедевонских-нижнекаменноугольных терригенно-карбонатных отложений фамен-турнейского яруса (D3fm-C1t);

—      водоносная зона трещиноватости нижнедевонских эффузивных отложений (D1).

Ниже следует краткое описание водоносных подразделений, выделенных на схематической гидрогеологической карте (рис. 1).

razrez-vostochny-02-razrez-vostochny-02-678x419
Рис. 1. Схематическая гидрогеологическая карта района Экибастузского угольного бассейна

Локально-водоносный горизонт верхнечетвертичных-современных озёрных и делювиально-пролювиальных отложений (ldpQIII-IV) имеет ограниченное распространение и приурочен к логам, бортам и днищам крупных озёрных котловин. Водовмещающими породами служат бурые суглинки, супеси, песчаные глины и дресвяные грунты, покрывающие склоны водоразделов. Озёрные отложения представлены маломощными слоями глин, ила и солей, изредка достигающими мощности 10–12 м (озеро Карабидаик). Пролювиальные отложения мощностью, не превышающей 1–2 м, развиты крайне ограниченно в логах Элемес. Опробование шурфов и колодцев, вскрывших подземные воды локального характера, показали дебиты, не превышающие 0,5 л/с, минерализация вод пёстрая.

Локально-водоносный горизонт верхнеолигоценовых аллювиально-делювиально-пролювиальных отложений чаграйской свиты (P33cgr) приурочен к пониженным участкам погребённого рельефа. Водовмещающие породы представлены преимущественно глинами, в том числе каолиновыми белыми, гипсовидными и песчаными, а также кварцевыми песками и кварцитами, реже галечниками. Мощность горизонта достигает 12 м, в среднем составляя 5–7 м. Водоносный горизонт носит характер верховодки, появляющейся в годы обильного выпадения атмосферных осадков. Минерализация вод пёстрая с преобладанием пресных вод. Воды эти практического применения не имеют. Ввиду крайне ограниченных запасов заметного влияния на обводнённость угольного разреза они также не оказывают.

Водоносный комплекс углисто-терригенных отложений нижнекаменноугольных визейских и среднекаменноугольных отложений (С1v-C2) приурочен к отложениям ашлярикской, экибастузской и карабидаикской свит. По данным гидрогеологических исследований установлена неравномерная водоносность каменноугольных отложений как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях.

Основными водовмещающими породами являются каменные угли и углистые аргиллиты, аргиллиты и алевролиты, обводнённые незначительно. По данным гидрогеологических исследований, наиболее водообильны породы экибастузской свиты северо-западного участка экибастузской мульды. Здесь до глубины 50–60 м коэффициент фильтрации достигает 0,5–1, даже 3–4 м/сут. Значительно ниже водообильность отложений свиты на юго-западном, южном и юго-восточном участках бассейна. Коэффициенты фильтрации на этих участках за редким исключением не превышают 0,1 м/сут.

По данным многочисленных опытных откачек, проведённых в бассейне, построены графики зависимости коэффициента фильтрации от глубины выработок, из которых следует, что наибольшей водопроницаемостью характеризуются породы зоны выветривания в интервале 0–60 м (Кф уменьшаются с глубиной от 3–4 м/сут до 0,5 м/сут). С глубиной фильтрационные свойства пород заметно уменьшаются. При глубине выработок в 150–200 м коэффициент фильтрации пород снижается до 0,05–0,03 м/сут, на глубоких горизонтах он не превышает 0,006 м/сут (рис. 2).

razrez-vostochny-03-razrez-vostochny-03-678x338
Рис. 2. Графики изменения коэффициента фильтрации в интервалах глубин 0–120 м и 140–660 м

Наиболее обводнёнными являются угольные пласты 1 и 2, менее обводнён пласт 3, наименее обводнена толща ашлярикской свиты. Водоносность пород ашлярикской свиты также неоднородна. Наиболее водообильными являются отложения северо-восточного и восточного участков, наименее — южного и юго-западного. Коэффициенты фильтрации изменяются в самых широких пределах — от 0,005 до 4,7м/сут и даже до 14,4 м/сут.

Водоносный комплекс пород верхнедевонских-нижнекаменноугольных терригенно-карбонатных отложений фамен-турнейского яруса (D3fm-C1t) стратиграфически залегает ниже каменноугольного, обрамляя по поверхности узкой полосой Экибастузскую угленосную мульду. Основными водовмещающими породами комплекса являются известняки нормальные и кремнистые.

Дебиты скважин, вскрывших турнейские отложения, колеблются в пределах 1–6,1 л/с, коэффициенты фильтрации изменяются от 0,45 до 8,9 м/сут, минерализация вод высокая (1,8–27,3 г/л); по составу воды хлоридно-натриевые. Водоносный комплекс пород фаменского яруса верхнего девона в пределах Экибастузской мульды является наиболее водообильным. Основными водоносными породами комплекса являются кремнистые известняки, представленные двумя горизонтами — верхним и нижним. По характеру циркуляции и приуроченности к определённым пластам подземные воды верхнего горизонта относятся к пластово-карстовым, нижнего — к трещинно-пластовым со свободным зеркалом подземных вод. Верхний горизонт, сложенный щебенистыми кремнистыми трещиноватыми или закарстованными известняками, имеет более благоприятные условия питания, чем нижний, представленный плотными окремнёнными известняками, мелкозернистыми песчаниками или алевролитами. В связи с этим верхний горизонт характеризовался повышенной водообильностью с лучшим качеством воды. В этом горизонте были пробурены и оборудованы для эксплуатации скважины, служившие в течение ряда лет (до строительства Калкаманского водопровода) основным источником временного водоснабжения города Экибастуза.

В начальный период эксплуатации, вследствие высокой водоотдачи кремнистых известняков, дебиты отдельных скважин составляли до 8 л/с при снижении уровня на 1,2–1,5 м, удельные дебиты при этом не превышали 4–7 л/с-м, коэффициенты фильтрации составляли 8–9 м/сут.

Нижний горизонт кремнистых известняков отличается значительно меньшей водообильностью и повышенной минерализацией вод, достигающей 4–12 и даже 40–80 г/л. Коэффициенты фильтрации весьма низкие и находятся в пределах 0,05–1,5 м/сут.

Водоносная зона трещиноватости нижнедевонских эффузивных отложений (D1žr) приурочена к трещинам отдельности в породах жарсорской свиты, представленных в основном альбитофирами, базальтами, андезибазальтами, андезитами и их туфами. Ближе к поверхности породы выветрелые или сильно трещиноватые.

Дебиты скважин в зависимости от степени трещиноватости варьируют в пределах 0,01–2,0 л/с при понижениях 5–12 м. Здесь формируются пресные и слабосолоноватые воды с минерализацией 0,5–1,7 м. С глубины 15–20 м трещиноватость значительно уменьшается, трещины обычно выполнены песчано-глинистым материалом, и подземные воды из-за слабой циркуляции большей частью солёные (20–22 г/л). Подземные воды ввиду ограниченности запасов в целом для бассейна практического значения не имеют.

Формирование подземных вод Экибастузского угольного бассейна происходит в типичных условиях разгрузки трещинно-карстовых и трещинных вод в мульды. Основное питание угольных пластов осуществляется по периметру бассейна на выходах на поверхность фамен-турнейских отложений, представленных известняками, и по зонам тектонических нарушений, обрамляющих мульду. Особое значение при транзите и разгрузке подземных вод имеют водопроводящие тектонические нарушения, которые способствуют продвижению подземных вод на значительные расстояния, а также мелкая тектоническая раздробленность пород. Подземные воды приурочены, в основном, к верхней трещиноватой зоне выветривания палеозойских пород и к зонам тектонических нарушений.

Питание подземных вод происходит преимущественно за счёт инфильтрации атмосферных осадков. Наиболее эффективным в пополнении естественных ресурсов подземных вод являются осенние и зимне-весенние осадки. Дождевые и снеговые воды при умеренной температуре воздуха успевают проникать на значительную глубину.

Различный литолого-петрографический состав геологических образований обусловливает наличие водосодержащих и водоупорных горизонтов и отражается на их фильтрационных и коллекторских свойствах, что характерно для углисто-терригенных пород, формирующих Экибастузскую мульду.

Влияние поверхностного стока на грунтовые воды при их практическом отсутствии на территории района весьма незначительно. На площади распространения олигоценовых озёрно-аллювиальных равнин формирование грунтовых вод зависит от коллектора накопления и от состава водовмещающих пород. Здесь подземные воды находятся на достаточной глубине, поэтому инфильтрационное влияние атмосферных осадков или испарительных процессов мало сказывается на условиях их формирования.

Глубина залегания уровня подземных вод в начальный период проведения разведочных работ зависела в основном только от гипсометрического положения на местности и изменялась в пределах 0,8–26 м. К центру мульды, в сторону озера Экибастуз, глубина залегания уровня воды заметно уменьшалась. Подземный сток вод был направлен с юга на север со средним уклоном 0,004. В результате строительства и эксплуатации углеразрезов уровень подземных вод в породах палеозоя значительно снизился. За последние годы с ростом добычи угля дренирующее действие разрезов заметно возрастает. Подземный поток меняет своё направление в сторону карьеров. Озеро Экибастуз не может считаться местным базисом эрозии, так как радиус депрессии разреза «Восточный» уже достиг озера, и оно постепенно начинает осушаться.

На начальном этапе отработки угольных разрезов в качестве источника водоснабжения использовались пресные подземные воды, распространённые в краевой части Экибастузской мульды. В последующем, в связи с дренирующим влиянием горных выработок, приведшим к нарушению гидродинамического поля региона, произошло смешение подземных вод, и их минерализация повысилась до 2,7–8 г/дм3. По этой причине использование подземных вод было прекращено. В пределах карбонатной фамен-турнейской толщи в результате водозабора и дренажа подземных вод разрезами к 1969 году уровень их снизился до 20–25 и более метров.

Формирование современных подземных вод происходит практически в аналогичных условиях. Сосредоточение действующих разрезов в одном бассейне непременно оказывает влияние на условия формирования подземных вод и степень их дренирующих свойств. Добыча угля на более низких горизонтах, чем на соседних участках, обусловливает перетекание дренажных вод и отражается в целом на величине их запасов.

Существующая наблюдательная сеть. По состоянию на 2026 год режимная сеть разреза «Восточный» ФАО «ЕЭК» состоит из 25 наблюдательных скважин (рис. 3).

razrez-vostochny-04-razrez-vostochny-04-678x423
Рис. 3. Сеть наблюдательных скважин

Исходя из режимного наблюдения, подземные воды в пределах территории разреза «Восточный» в естественных условиях практически повсеместно залегали на глубинах 2–6 м в зависимости от гипсометрических отметок рельефа местности.

На сегодняшний день в пределах исследуемой территории наибольшие величины уровня подземных вод наблюдаются на участках в непосредственной близости от разреза, вдоль его борта и вдоль по простиранию продуктивной угленосной толщи экибастузской свиты, что является дополнительным подтверждением выше охарактеризованных фильтрационных свойств рассматриваемых комплексов пород.

И объясняется тем, что экибастузская свита, включающая в себя мощные угольные пласты с наилучшими в районе фильтрационными свойствами (коэффициент фильтрации 0,1–0,80 м/сут, иногда 1–4 м/сут), дренируется достаточно эффективно. Породы же карабидаикской и ашлярикской свит из-за частичного чередования водоносных и практически водоупорных их разностей и характеризующиеся несколько пониженными фильтрационными свойствами (коэффициенты фильтрации от 0,005–0,2 м/сут до 0,7 м/сут), обладают низкой водоотдачей и, следовательно, ограниченной дренирующей способностью.

Основная задача проведения мониторинга подземных вод — изучение режима, баланса и состояния подземных вод в связи с добычей угля, организацией карьерного водоотлива, изучение влияния существующей инфраструктуры разреза на природную обстановку в соответствии с законодательными актами Республики Казахстан и нормативными документами.

Сложный технологический процесс горнодобывающего производства включает в себя горнопроходческие, вскрышные и добычные работы, осушение горных работ в разрезе, транспортировку и складирование пород, строительство инженерных сооружений инфраструктуры. Этот процесс активно воздействует на недра и сопредельную с ними гидросферу и атмосферу.

Формирование режима подземных вод в естественных и нарушенных условиях происходит под воздействием многочисленных природных и искусственных факторов.

К основным режимообразующим факторам относятся:

—      природно-климатические;

—      геоморфологические;

—      геолого-гидрогеологические;

—      строение и мощность зоны аэрации;

—      дренированность территории;

—      гидрологический режим рек и водоёмов;

—      искусственно созданные факторы.

Основными направлениями мониторинга подземных вод на настоящем этапе являются:

—      изучение режима, баланса и ресурсов подземных вод в естественных условиях и их изменение в условиях хозяйственной деятельности;

—      контроль за уровнем загрязнения и истощения подземных вод.

В конечном итоге изучение режима подземных вод является основой для осуществления задач по охране подземных вод от загрязнения и истощения.

Мониторинг подземных вод в зоне влияния разреза «Восточный» проводится по наблюдательным скважинам и реализуется путём проведения комплекса следующих видов работ:

—      учёт (приборный) карьерного водоотлива с фиксированием показаний счётчика в специальном журнале;

—      замеры уровней подземных вод в наблюдательных скважинах;

—      систематический отбор проб на сокращённый химический анализ (определение сухого остатка и основных компонентов) и на определение микрокомпонентов, нормируемых «Санитарно-эпидемиологическими требованиями к видеоисточникам, местам водозабора для хозяйственно-питьевых целей, хозяйственно-питьевому водоснабжению и местам культурно-бытового водопользования и безопасности водных объектов».

По результатам наблюдений и сбора информации осуществлена оценка состояния свойств, уровня загрязнения основных компонентов окружающей среды. Полученная информация вводится в компьютерную базу данных в программном обеспечении HydroGeoAnalyst, версия 13.0 (далее — HGA). Мониторинг подземных вод необходимо проводить как собственно на площади месторождений, так и в зоне влияния разреза «Восточный».

Измерения уровней подземных вод в годовом цикле предусматриваются с периодичностью один раз в месяц:

25 существующих наблюдательных скважин

25 скв. х 1 раз х 12 мес. = 300 замеров в год.

Уровень воды в каждой скважине измеряется в пьезометрической трубке диаметром не менее 20 мм от верха трубы наземной части скважины электрическим уровнемером или рулеткой со стальной лентой и хлопушкой на конце. Измерение уровня производится два раза подряд: если второй раз получается другой результат, то двукратное измерение повторяется снова. Точность измерения уровня указанными приборами составляет 1–3 см в зависимости от глубины его залегания.

Согласно методическим рекомендациям по ведению режимных наблюдений выполняется ежемесячно (один раз) для оценки их технического состояния. Всего в течение года:

25 скв. х 1 раз х 12 мес. = 300 замеров.

Предусматривается выполнять замеры в наблюдательных скважинах четыре раза в год (ежеквартально). Назначение прокачек — изъятие застоявшейся воды и вызов притока свежей воды из водоносного горизонта. Продолжительность одной прокачки по опыту работ принимается равной 1 бр/см. Всего в течение года:

25 скв. х 4 раза х 1 бр/см = 100 бр/см.

В процессе проведения мониторинга (в течение 1 года) данной работой предусмотрен отбор проб воды:

—       на сокращённый анализ 4 раза в год из 25 наблюдательных скважин

25 скв. х 1 проба х 4 раза = 100 проб;

—       на атомно-эмиссионный анализ из вышеперечисленных источников также 4 раза в год

25 скв. х 1 проба х 4 раза = 100 проб.

Отбор проб при гидрохимическом опробовании производится так, чтобы определяемые показатели состава и состояния воды как можно больше соответствовали таковым в пластовых углях. Основное отличие подземных вод от поверхностных заключается в том, что подземные воды не имеют контакта с атмосферным воздухом или этот контакт ограничен (для грунтовых вод). Поэтому одним из условий правильного гидрохимического опробования является по возможности полное исключение контакта пробы с воздухом при её отборе.

Отбор проб без проведения каких-либо операций допустим для определения консервативных компонентов химического состава подземных вод, к которым относятся хлор, сульфат, натрий, калий, литий, бром, бор, фтор, кремнекислота.

При отборе на общий химический анализ, анализ неконсервативных и быстроменяющихся компонентов (водорастворённых кислорода и сероводорода, переменно валентных элементов — Fe, Mn, Se, Mo, As и др., в том числе биогенных — азота в форме NO3, NO2, NH4) и др. необходимо избегать контакта воды с атмосферным воздухом (даже кратковременного).

Для герметичного отбора пробы используют резиновый шланг малого диаметра, в один конец которого поступает вода из скважины, а другой опускают в сосуд для отбора пробы.

razrez-vostochny-05-razrez-vostochny-05-678x452

Сосуд для герметичного отбора пробы полностью наполняют исследуемой водой, при этом конец водопроводящего шланга должен быть опущен до дна сосуда. После 8–10-кратного обмена воды в сосуде шланг медленно вынимается, а сосуд плотно закупоривается пробкой без пузырька воздуха.

В ряде случаев отбор водной пробы сопровождается фильтрованием исследуемой воды или отбор проб сопряжён с консервацией.

Все скважины имеют оголовок, который герметично забетонирован с целью предотвращения проникновения в межтрубное пространство скважины поверхностных вод. Оголовки покрашены в красный цвет, все скважины пронумерованы. Наблюдательными скважинами охвачены практически все пути возможного транзита подземных вод.

Поделиться статьёй
Понравилась статья? Подпишитесь на рассылку
техно в недрах