Hydrogeologia – nauka o wodach podziemnych
Warstwa wodonośna – warstwa skał przepuszczających, która ma zdolność przewodzenia i akumulowania wody.
Rodzaje warstwy wodonośnej: - o zwierciadle swobodnym – charakteryzuje się tym, że od spągu ograniczona jest warstwą skał nieprzepuszczalnych, a od stropu zwierciadłem wodnym (oba poziomy, czyli nawiercony i ustalony są na tej samej głębokości). Kształtuje się zgodnie z kształtem terenu. - o zwierciadle napiętym – warstwa skał przepuszczalnych, która od spągu i od stropu ograniczona jest skałami nieprzepuszczalnymi ( zwierciadło nawiercone jest w stropie warstwy).
Sposoby zasilania warstw wodonośnych:- sposób bezpośredni – bezpośrednio poprzez opady atmosferyczne (infiltrację)- sposób pośredni
Ciek – wody płynące, są w najwyższych miejscach danego obszaru.
Współczynnik infiltracji α – określa ilość infiltrowanych opadów. Α od 0,2 do 0,3 ßdotyczy skał średnio i dobrze przepuszczalnych. Około 70% opadów paruje.
Prawo Peucka – ilość opadów atmosferycznych jest równa sumie odpływu i parowania. P=H+E gdzie: E=70% a H dzieli się na Hg (odpływ gruntowy) i Hp (odpływ powierzchniowy)
Głębokość zwierciadła swobodnego zależy od:– jest zmienna i zależy od warunków atmosferycznych,- kształtuje się z kształtem terenu (warstwa wodonośna o zwierciadle swobodnym)- warstwy o zwierciadle napiętym.
Pośredni sposób zasilana warstw wodonośnych może następować poprzez: - wychodzenie warstwy wodonośnej - poprzez sieć splątań i szczelin,- poprzez szczelinę uskokową,- poprzez tzw. okno hydrogeologiczne,- okno erozyjne,
Okno hydrogeologiczne – tworzy się gdy na warstwie nieprzepuszczalnej osadziły się warstwy przepuszczalne.
Okno erozyjne – najczęściej obszary pradolin rzecznych, mają równoleżnikowy przebieg,
Pradoliny rzeczne – obszary najbardziej zasobne w wodę.
Osady rzeczne – osady, które kumulują się w rzece. Są to muły, piaski i żwiry.
Wody artezyjskie – powodują niedostawanie się zanieczyszczenia, mają dobrą jakość, wewnątrz warstwy panuje ciśnienie hydrostatyczne, które podnosi słup wody w otworze, często prowadząc do samo odpływu.
Podział wód ze względu na genezę:- wody infiltracyjne (pochodzące z opadów) - wody kondensacyjne (pochodzące z kondensacji pary wodnej zawartej w powietrzu, która na skutek ochładzania ulega skropleniu, osadza się jako rosa) - wody juwenilne (wydzielają się z krzepnącej magmy blisko powierzchni, jeśli temperatura magmy spada poniżej 37,5 st. C. Większość wód tworzy się na obszarach czynnego wulkanizmu) - wody reliktowe (dzielą się na sedymentacyjne i infiltracyjne) wody występujące na bardzo dużych głębokościach (wody wiekowe)- wody sedymentacyjne są pozostałością dawnych mórz lub jezior, charakteryzują się dużą mineralizacją, wody słone, solanki. - wody infiltracyjne z dawnych infiltracji (obecnie żadna infiltracja nie jest możliwa)
Podział wód ze względu na głębokość występowania:- wody przypowierzchniowe (występują w pierwszej warstwie) zwierciadło znajduje się przy powierzchni, tworzą się bagna, mokradła, brak strefy aeracji lub jest znikoma. - wody gruntowe – zwierciadło stabilizuje się w większej odległości od powierzchni. Występuje strefa aeracji i im ma większą miąższość tym więcej zanieczyszczeń się w niej zatrzymuje.- wody wgłębne – odpowiadają artezyjskim. Warstwa jest o zwierciadle napiętym. Znajdują się na większych głębokościach niż wody gruntowe i stąd ich lepsza jakość. Występują na głębokości 400 – 600 metrów. - wody głębinowe – odpowiadają wodom reliktowym – mają te same cech, co reliktowe, występują na głębokościach od 600 metrów w głąb.
Strefa aeracji – od powierzchni do ustabilizowanego zwierciadła.
Właściwości hydrogeologiczne skał – decydują o zachowaniu się pewnej skały w zetknięciu się jej z wodą.
Podział właściwości hydrogeologicznych skał:- wiążą się z występowaniem w skałach pustych przestrzeni (porowatość, szczelinowatość, kraskowatość),- grupa – mówi o zdolności przewodzenia wody (wodoprzepuszczalność, przewodność hydrauliczna),
Właściwość pośrednie (dodatkowe):- wodochłonność,- odsączalność,
Porowatość – własność wynikająca z występowania w skałach pustych przestrzeni zwanych porami. Powstają w momencie tworzenia się skały.
Porowatość międzyziarnowa – występuje w skałach okruchowych (np. piasku, piaskowcu, żwirze).
Pory otwarte – wzajemnie ze sobą połączone pory, tworzące sieć kanalików.
Porowatość gąbczasta – występuje w niektórych wapieniach, gąbkach (pory otwarte)
Porowatość miarolityczna – pory zamknięte, występuje w skałach wapniowych.
Porowatość pęcherzykowata – pory zamknięte, występuje w skałach wapniowych,
Wielkość porowatości międzyziarnowej zależy od: - kształtu ziaren,- stopnia scementowania - sposobu ułożenia (sześciennie ułożone lub rombowo ułożone)
Porowatość w skałach luźnych zależy od:- stopnia zagęszczenia, - równomierności uziarnienia
Porowatość nie zależy od średnicy ziaren.
Współczynnik porowatości:Vp – objętość porówV – całkowita objętość skały
Η=Vp/V *100%
Pory nadkapilarne – średnica większa od 0,5 mm
Pory kapilarne – średnica od 0,0002 do 0,5 mm
Pory subkapilarne – średnica mniejsza od 0,0002 mm
Wodochłonność – stosunek objętości pochłoniętej wody do objętości całkowitej skały lub stosunek masy wody do masy skały. W=Vw/Vs=Gw/Gs
Wnioski dotyczące porowatości: w skałach grubo i średnio okruchowych (żwiry, piaski, piaskowce) występują pory nadkapilarne i kapilarne i współczynnik porowatości w tych skałach jest wprost proporcjonalny do przepuszczalności. W skałach o bardzo drobnym uziarnieniu (muły, mułowce, iły, iłowce) występują pory subkapilarne i współczynnik porowatości jest Prost proporcjonalny do wodochłonności.
Szczelinowość – związana jest z występowaniem pustek w postaci szczelin, pęknięć (skały, które nie mają porowatości lub mają pory zamknięte)
Miara szczelinowości – współczynnik szczelinowości ns=bl/F gdzie: l – długość porów, b – szerokość porów, F – powierzchnia skał.
Rodzaje szczelinowości:- nadkapilarne – powyżej 0,25- kapilarne – od 0,0001 do 0,25- subkapilarne – poniżej 0,0001
Podział skał ze względu na ich szczelinowatość:- skały niespękane (ns <0,05 %)- skały słabo spękane (0,05 – 2 %)- skały silnie spękane (2 - 25%)- skały bardzo silnie spękane (ns >25%)
Krasowatość – pustki, które powstały w skutek rozpuszczania skał przez wodę.
Skały krasowe – skały podatne na rozpuszczanie przez wodę.
Skały węglanowe – wapienie, dolomity, występują przy powierzchni
Skały siarkowe – gipsy
Skały sole chlorkowe – sól kamienna, potasowa,
Wywierzyska – obszar nagromadzenia dużej ilości skał krasowych.
Wodoprzepuszczalność – miarą jest współczynnik filtracji, zdolność skał do przepuszczania wody.
Warunki zachodzenia filtracji:- zwierciadło wód podziemnych musi się znajdować na różnych poziomach (spadek hydrauliczny),- muszą istnieć kolektory wodne o odpowiedniej średnicy,
Rodzaje przepływów wody:- laminarny – strumień wody jest równoważony, nie jest przekroczona prędkość krytyczna,- turbulentny – burzliwy,
Prawo Darcy:Q=k*F*JObjętość wody przepływającej w czasie jest równa iloczynowi przekroju, spadku hydraulicznego i współczynnikowi filtracji.
Prawo Chezy-Krosnopolskiego – prędkość przepływu wody w przepływie turbulentnym jest równy iloczynowi współczynnika filtracji i pierwiastkowi spadku hydraulicznego.
Przepuszczalność hydrauliczna: T=k*m gdzie k – współczynnik filtracji, m – miąższość warstwy wodonośnej,
Współczynnik odsączalności – decyduje o zasobności warstwy U=V0/V
Średnica efektywna – średnica hipotetycznych ziaren, z których zbudowana skała będzie miała taką samą przepuszczalność jak badana próbka.
Zasoby – ilość wód, które są zgromadzone w warstwie wodonośnej.
Podział zasobów naturalnych:- statyczne,- dynamiczne,- dyspozycyjne,- eksploatacyjne.
Zasoby statyczne – stanowią ilość wód zakumulowanych w porach, szczelinach, pustkach krasowych znajdujące się w warstwie w warunkach statycznych – stagnacji (bez ruchu).
Współczynnik odsączalności – ilość wód, które odsączają się ze skały w sposób grawitacyjny.
Zasoby dynamiczne – ilość wód przepływających przez warstwę wodonośną w jednostce czasu. [m3/s]
Zasoby dyspozycyjne – są określane jako zasoby znajdujące się pomiędzy minimalnym a maksymalnym poziomem zwierciadeł wód gruntowych. Nie określają technicznych warunków ujmowania.
Zasoby eksploatacyjne – to ta część zasobów, która może być ujmowana ze względu na warunki techniczne ujęcia, zgodnie z zasadami ochrony środowiska. Przy tych zasobach określona jest depresja, do jakiej możemy obniżyć zwierciadło.
Podział kopalni ze względu na zawodnienie:- słabo zawodnione (dopływ < 3 m3/min)- mało zawodnione (dopływ od 3 do 6 m3/min)- o dużym zawodnieniu (dopływ od 6 do 18 m3/min)- o bardzo dużym zawodnieniu (dopływ powyżej 18 m3/min)
Metody prognozowania dopływów:- metoda analogii hydrogeologicznej- metoda bilansu wodnego,- metoda wielkiej studni,
Metoda analogii hydrogeologicznej – prognozujemy dopływ na podstawie znanego już dopływu z czynnej kopalni, która ma analogiczne warunki hydrogeologiczne. Dla swobodnego zwierciadła wody. Q=Q1*(2H-S)S/(2H1-S1)S1 gdzie Q1 – dopływ czynnej kopalni H – statyczne zwierciadło wody określa wysokość zwierciadła wody. Dla zwierciadła napiętego: Q=Q1*pierwiastek z S/S1 gdzie: S – depresja w projektowanej kopalni, S1- depresja w czynnej kopalni.
Metoda bilansu wodnego – stosuje się tylko w tedy, gdy poziomy wodonośne w nadkładzie są zasilane opadami atmosferycznymi. Qd =F*w*α/t ß zasoby dynamiczne. Qs=F*h*uß zasoby statyczne. Gdzie: α – współczynnik infiltracji, u – współczynnik odsączalności, w – roczna ilość opadów.
Metoda wielkiej studni – dopływ do szybu obliczamy podobnie jak do otworu za pomocą wzorów Dupuita. Zwierciadło swobodne: Q=1,36*k(H2-h2)/logR-logr R-575S*pierwiastek z k*H Zwierciadło napięte: Q=2,73*k*m*S/logR-logr R=3000S*pierwiastek z k
Podział złóż pod względem hydrogeologicznym:- złoża o prostych warunkach hydrogeologicznych Q<10m3/min nie ma dopływu wód z powierzchni, poziomy wodonośne zbudowane są ze skał zwięzłych, nieskrasowiałych, nie występują w złożu zawodnione uskoki.- złoża o skomplikowanych warunkach hydrogeologicznych – Q>10m3/min duży dopływ, bezpośrednio nad złożem poziomy wodonośne zbudowane ze skał sypkich, skały krasowe oraz zawodnione uskoki.
Górnośląskie zagłębie węglowe (GZW):- obejmuje obszar północno-wschodni, nieckę główną od Łapiny poprzez Dąbrowę Górniczą, Maczki, Jaworzno. Są tu głównie złoża grupy drugiej, klasy piątej i szóstej. - obszar Niecki Bytomskiej – dopływy trzech otworów triasowych, kształtują się od 1 do 10 m3/min i są tu złoża z grupy pierwszej klasy czwartej. - obszar siodła głównego – utwory karbońskiej mają swoją wychodnię na powierzchni. Całkowita powierzchnia tych wychodni do 150 m2. Obejmują kopułę Zabrze, Chorzowa, Szopienic, Sosnowca. Dopływ do kopalni od 5 do 35 m3/min. Złoża należą przeważnie do grupy drugiej, klasy ósmej i grupy pierwszej klasy czwartej. - obszar Niecki Chrzanowskiej – także warunki jak w Niecce Bytomskiej,- obszar Południowo – zachodni – obejmuje północną część GZW i charakteryzuje się tym, że utwory karbońskie pokryte są grubym kompleksem iłów trzeciorzędowych, których miąższość dochodzi do 1000 metrów. Od 0,5 do 4,5 m3/min dopływy. Złoże grupy pierwszej, klasy czwartej.
Układy hydrogeologiczne – na pięciu obszarach jest ich cztery:- układ I – charakteryzuje się tym, że warstwy karbońskie odizolowane są od poziomu wodonośnego warstwą nieprzepuszczalną o bezpiecznej miąższości. Pokłady węgla znajdują się w utworach nieprzepuszczalnych. - układ II – w nadkładzie występuje kilka poziomów wodonośnych, z których jeden zalega bezpośrednio na stropie karbonu, a wodonośnym są zwykle skały sypkie (piaski).- układ III – poziom wodonośny czwartorzędu zalega bezpośrednio na stropie karbonu. Największe dopływy. W czwartorzędzie występują dwa poziomy wodonośne. - układ IV – poziom wodonośny zalega bezpośrednio na utworach karbonu i występuje w skałach zwięzłych. Występuje w północnej części GZW. Najmniejsze dopływy.
Lubelskie Zagłębie Węglowe – LZW – w nadkładzie występują utwory węglanowe (zjawiska krasowe).
Układ hydrogeologiczny LZW:- układ południowy – brak uskoków, dopływy są niewielkie, które pochodzą z dolnych warstw Jury.- układ północny – utwory czwartorzędowe na powierzchni oraz występują uskoki.
Bezpieczna miąższość – ośmiokrotna miąższość pokładu, ale nie mniej niż 20 metrów.
Zagrożenia wodne w kopalni – nagły i niespodziewany wypływ wody do wyrobisk górniczych przekraczający wydajność urządzeń głównego odwadniania.
Rodzaje zagrożeń:- szczelina uskokowa – przechodzenie do wyrobiska przez uskok.- zbiorniki powierzchniowe - zbiorniki podziemne – naturalne i znajdujące się w zrębach
Stopnie zagrożeń wodnych:- stopień I – zbiorniki i cieki wodne oraz poziomy wodonośne izolowane są od wyrobisk kompleksami skał nieprzepuszczalnych, a roboty górnicze nie powodują przerwania tego kompleksu. Występują poziomy wodonośne w obrębie złoża lub w jego bezpośrednim sąsiedztwie izolowane dostatecznie grubą warstwą izolacyjną. Zasoby statyczne z poziomów wodonośnych zostałyby już odprowadzone, a dopływ pochodzi z zasobów dynamicznych. Źródła zagrożenia drugiego stopnia mogą występować najczęściej w pojedynczym wyrobisku. - stopień II - zbiorniki i cieki wodne na powierzchni oraz podziemne zbiorniki wodne mogą poprzez infiltrację spowodować zawodnienie wyrobisk. W stropie lub w spągu złoża istnieje poziom wodonośny typu warstwowego nieizolowany dostatecznie grubą warstwą izolacyjną. Istnieje poziom wodonośny typu szczelinowatego izolowany niedostatecznie grubą warstwą izolacyjną. Występują uskoki wodonośne rozproszone pod względem zawodnienia i lokalizacji. Występują otwory wiertnicze z powierzchni nie zlokalizowane prawidłowo, stanowiące możliwość bezpośredniego kontaktu wyrobisk górniczych z wodami powierzchniowymi. Występują źródła zagrożenia trzeciego stopnia jedynie dla kilku wyrobisk. - stopień III – zbiorniki lub cieki powierzchniowe stwarzają możliwość bezpośredniego wdarcia się wody do wyrobisk górniczych. Bezpośrednio w stropie lub spągu złoża istnieje poziom wodonośny typu szczelinowatego lub szczelinowo-kamienistego. Bezpośrednio w złożu lub w stropie warstw zbiorniki wodne. W spągu złoża występują zbiorniki pod ciśnieniem. Występują uskoki wodonośne nie dostatecznie rozpoznane. Istnieje możliwość zagrożenia kurzawkowego.
Podział źródeł zagrożeń wodnych: - bezpośrednie,- pośrednie,
Bezpośrednie zagrożenia wodne:- zbiorniki wód podziemnych,- zbiorniki wód powierzchniowych,- szczeliny uskokowe zawodnione,- poziomy wodonośne, które bezpośrednio zlokalizowane są obok wyrobisk, w których występują warstwy pod ciśnieniem
Poziomy wodonośne pod ciśnieniem:- 10 atm (9,5 metra miąższości warstwy),- 20 atm (13,5 metra miąższości warstwy),- 30 atm (16,5 metra miąższości warstwy).
Pośrednie zagrożenia wodne: – należą do nich zagrożenia wynikające z nieszczelności obudowy szybu (uszkodzenie mechaniczne itd.) Zabezpieczeniem jest dbanie o szczelność obudowy- wielkość obudowy,- pionowość wieży szybowej,- źle zabezpieczone otwory badawcze,- stare wyrobiska korytarzowe mające połączenia ze zbiornikami wód powierzchniowych.
Zapobieganie tworzeniu się zagrożeń wodnych – zapobieganie zagrożeniom przebiega w dwóch kierunkach:- zapobieganie tworzeniu się źródeł zagrożeń,- stosowanie profilaktyki górniczej w trakcie eksploatacji złoża.
Zapobieganie tworzeniu się źródeł zagrożeń – tworzenie się niecek na powierzchni (zalewiska, stawy). Profilaktyka: przeciwdziałanie osiadaniom. Zapobieganie polega na tym, by stosować odpowiednią podsadzkę hydrauliczną. Jeżeli utworzone są niecki osiadowe to należy je uszczelnić,
Stopień zagęszczenia – określa stan skały sypkiej.
Osiadanie – na skutek eksploatacji (z zawałem stropu).
Osiadanie całkowite: Z =m*a gdzie: m – miąższość pokładu, a – współczynnik zależny od poziomu eksploatacji. a=0,7 gdy eksploatacji z zawałem stropu, a=0,12 gdy z podsadzką hydrauliczną, a=0,03 gdy przy wybieraniu pasami. Z – osiadanie ze względu na rodzaj eksploatacji.
Stosowanie profilaktyki górniczej:- prostowanie filarów ochronnych,- filary bezpieczeństwa (półki ochronne),- specjalne metody drążenia wyrobisk udostępniających,- specjalne systemy wybierania kopaliny,- budowa tam wodnych,- budowa sztucznych ekranów izolacyjnych,
6
pitol23