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.
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).
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).
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).
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.
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.
