Гидрогеологические условия бриневского месторождения гипса и ангидрита

Бриневское месторождение гипса и ангидрита является единственным месторождением сульфатного сырья в Беларуси. Ежегодно страна вынуждена ввозить из России и Молдовы 200-250 тыс.т гипсового камня и 400-450 тыс.т гипсовых вяжущих. На сегодняшний день Новомосковское месторождение, месторождения Украины и Молдовы принадлежат немецкой фирме KNAUF. В России растет потребность в данном виде сырья, что может в самое ближайшее время привести к большому росту закупочных цен их продукции. В свете этих данных постановка детальной разведки и уточнения гидрогеологических условий Бриневского месторождения гипса будет оправдана.

Административно Бриневское месторождение гипса и ангидрита находится на территории Петриковского района Гомельской области Республики Беларусь, западнее и северо-восточнее д. Бринев и является частью Государственного природоохранного учреждения Национальный парк «Припятский».

По возрасту Бриневское месторождение гипса и ангидрита относится к лебедянскому и оресскому горизонтам верхнефаменского подъяруса верхнего девона. Гипс Бриневского месторождения образовался в результате непосредственного осаждения из растворов реликтовых изолированных морских бассейнов двуводного сульфата кальция CaSO₄·2H₂O. При изучении керна большинства скважин и шлифов на глубинах 200-400 м наблюдается активная гидратация ангидрита в результате воздействия грунтовых и межпластовых вод, сопровождаемая гипсовой тектоникой пучения. В связи с этим можно говорить о признаках эпигенетических условий отложения (переотложения) сульфата кальция. Для кристаллизации вещества огромное значение имеет и литостатическое давление. Все это говорит в пользу стабильности равновесия системы гипс-ангидрит (с потерей кристаллизационной воды) и обратно. В разрезе Бриневского гипсового месторождения, в рамках границ сульфатоносной толщи, выделяются четыре гипсовых горизонта, объединяющих 10 пластов гипса мощностью от 0,2 м до 52 м, из которых два (IV и III) являются основными, II гипсовый горизонт имеет второстепенное значение, а I гипсовый горизонт, в настоящее время, не представляет интереса для промышленности. Горизонт I имеет островное распространение и занимает наименьшую площадь. Границы его распространения эрозионные и тектонические. Условия его залегания согласуются с нижележащими горизонтами.

Кроме пластов гипса встречаются пласты гипсово-ангидритовой породы мощностью от 3,3 до 28,5 м. Сульфатонасыщенность толщи довольно высокая и изменяется от 13% до 67%, в среднем составляя 41%, что является высоким показателем добычи такого сырья. По масштабам месторождение относится к крупным (запасы свыше 50 млн.т.), имеет сложное строение и невыдержанную мощность.

В Припятском прогибе проявления гипса и ангидрита отмечаются в разновозрастных отложениях девона – в породах витебского горизонта, западнодвинской свиты и наровского горизонта эйфельского яруса среднего девона, саргаевского, воронежского, евлановского горизонтов и копаткевичской свиты франского яруса верхнего девона, практически во всех горизонтах верхнефаменского подъяруса верхнего девона. Гипс и ангидрит присутствуют в этих отложениях как в виде прожилков (мощностью, не превышающей первые десятки сантиметров), так и в виде маломощных пластов (0-6,0 м). Залегают они, как правило, на больших глубинах и не образуют промышленных скоплений, за исключением соленосных отложений лебедянского и оресского горизонтов верхнефаменского подъяруса верхнего девона. Здесь ангидрит слагает пласты мощностью до нескольких десятков метров, но на больших (500-600 м и более) глубинах. Исключение составляет район Бриневской горстоподобной структуры, где в лебедянское и оресское время происходило осадконакопление гипсоносных отложений, являющихся фациальным аналогом нижней части соленосной толщи. Средняя мощность сульфатных пород (гипса и ангидрита) достигают здесь 24,3-28,5 м. Они залегают на доступных для отработки глубинах и образуют Бриневское гипсовое месторождение.

В Припятском прогибе и прилегающих к нему площадях, где имеют развитие девонские отложения, не отмечается структурных условий, благоприятных для накопления сульфатных пород, подобные существовавшим в районе Бриневской горстоподобной структуры. Вследствие этого, Бриневское месторождение гипса, для условий Беларуси, является единственным месторождением этого вида сырья и поэтому уникальным.

С точки зрения гидрогеологических условий месторождение гипса находится в западной части Припятского артезианского бассейна. Для него характерно глубокое залегание кристаллического фундамента и развитие мощной толщи осадочного чехла, который сложен как водоносными, так и водоупорными породами.

Верхний водоносный горизонт приурочен к четвертичной толще. Его мощность непостоянна (9-25 м) и близка к общей мощности четвертичных отложений. Водовмещающие породы представлены песками с коэффициентом фильтрации от 0,17 до 0,23 м/сутки. Воды горизонта безнапорные. На участках развития глинистых и суглинистых прослоев – субнапорные. Питание горизонта происходит за счет инфильтрации атмосферных осадков.

Неоген-палеогеновый водоносный горизонт повсеместно распространен на площади месторождения и не всегда имеет четкую границу с вышележащим четвертичным горизонтом. Мощность его достигает 50 м. Водовмещающими породами являются пески. Коэффициенты фильтрации пород горизонта составляют до 2,20 м/сутки.

Водоносный горизонт туронского яруса верхнего мела приурочен к отложениям, мела и меловых мергелей. Водовмещающие породы изолированы от поверхностного загрязнения, поэтому воды в них обладают высокими питьевыми качествами. Коэффициенты фильтрации пород достигают 1,5 м/сутки. Воды горизонта напорные с дебитом до 20 м³ /час.

Водоносный горизонт батского яруса средней юры приурочен к пескам и песчаникам. Коэффициенты фильтрации пород изменяются в пределах 0,05-0,7 м/сутки. Воды напорные с дебитом до 30 м³ /час и пригодны для нужд хозяйственно-питьевого водоснабжения.

Всю толщу верхнедевонских накоплений и турнейского яруса нижнего карбона можно условно разделить на три подтолщи: надгипсовую, гипсоносную и подгипсовую.

Надгипсовая подтолща мощностью от 64,2 м (скв. 11) до 222,1 м (скв. 38) состоит из отложений турнейского яруса нижнего карбона (C₁t) и полесского горизонта верхнего девона (D₃pl), которые представлены водонапорными глинами и мергелями с прослоями водопроводящих доломитов, известняков и песчаников. Скважинная расходометрия показала, что обводненность надгипсовой подтолщи обусловлена водопроводящими песчаниками и известняками, коэффициенты фильтрации которых, достигают до 0,09 м/сутки. Залегают водовмещающие породы линзообразно, в виде часто выклинивающихся прослоев мощностью от 0,5 м до 5 м.

Гипсоносная подтолща включает в себя слои лебедянско-оресского горизонта верхнего девона и состоит из чередующихся пластов гипса и гипсоангидрита с глинами, мергелями, известняками и песчаниками. В основном, в толще преобладают водоупорные породы и только в прослоях известняков и песчаников встречаются подземные воды. В скв. 281 в интервале глубин 161,8 - 173,7 м, где расположен II гипсовый горизонт, зафиксирован приток в 0,13 л/сек в прослое известковой брекчии и слоистых известняках. В целом, по разрезу гипсоносной подтолщи фиксируются притоки воды порядка сотых долей л /сек при понижениях в 5-10 м. Имеющиеся гидрогеологические мaтepиaлы позволяют сделать вывод, что подземные воды в пределах гипсоносной толщи присутствуют. В условиях ведения горных работ не исключается возможность вскрытия их в песчаниках, известняках, собственно в гипсах. При условии ненарушенности массива пород ресурсы таких вод практически нулевые, а запасы ограничены емкостными характеристиками водовмещающих пород.

Анализ данных химического состава подземных вод показывает, что процессы водообмена в толще девонских отложений затухают и на глубинах 150-175 м происходит насыщение подземных вод сульфатом кальция и прекращается выщелачивание гипсоангидритовых пород.

Подгипсовая подтолща приурочена к отложениям задонско-елецкого горизонта верхнего девона, состоящих из псевдобрекчии с прослоями доломитов, известняков и глинистых мергелей. Проведенные исследования в интервале 90 м от подошвы IV горизонта свидетельствуют о весьма низкой водообильности пород толщи. При ненарушенности подошвы гипсоносного горизонта воды подгипсовой толщи не будут принимать участие в обводненности горных выработок.

Гидрогеологические условия месторождения, определяющие его разработку, в целом можно классифицировать как сложные. Полезное ископаемое в условиях спокойного залегания в породах гипсовой толщи может считаться достаточно сухим. Вблизи тектонических нарушений, учитывая активную тектоническую трещиноватость пород верхнего девона и карбона, нельзя исключить возможность поступления подземных вод через эти трещины в горные выработки. Опасность прорыва воды в горные выработки возникает так же при работах вблизи поверхностных водоемов (озер, рек, прудов, водохранилищ), принимая во внимание малую мощность вскрышных пород месторождения, составляющую несколько десятков метров. Обводненность месторождений устанавливается одновременно с разведкой месторождения и определяется коэффициентом водообильности. Под коэффициентом водообильности шахты подразумевают число кубометров воды, приходящееся на 1 т суточной добычи полезного ископаемого. Приток воды (в м³/ч) определяется из формулы

где n – коэффициент водообильности; А – суточная производительность шахты, т.

При ведении горнотехнических работ необходимо так же учитывать газодинамическую обстановку во вмещающих породах и горных выработках.

На условия залегания и морфологию пластов сильное влияние оказали такие факторы как: дизъюнктивная тектоника и древний карст, в меньшей степени внутренняя гипсовая тектоника, вызванная эпигенетическими преобразованиями гипсовых горизонтов и вмещающих пород гипсоносной толщи.

Предприятием Белгорхимпром по данным предварительной разведки составлен «Технико-экономический доклад о промышленном значении Бриневского месторождения гипса с расчетом временных кондиций» (ТЭД) для подсчета запасов гипса и ангидрита, который прошел апробацию в РКЗ при Министерстве природных ресурсов и охраны окружающей среды № 28 (1927) от 24 декабря 2004 г. На площади месторождения также были определены два участка (около 5 км²) первоочередной разработки – Западный и Восточный – с общим объемом промышленных запасов гипсоангидритового сырья по категории С₁ – 278,736 млн.т и перспективных запасов по категории С₂ – 187,203 млн.т. Установлено, что обозначенные участки отличаются наименьшей глубиной залегания, большей мощностью полезного ископаемого и здесь локализуются основные промышленные гипсовые горизонты III и IV.

В связи со сложными гидрогеологическими условиями, значительной обводненностью сульфатоносных толщ и вмещающих пород с внушительным дебитом поступающих подземных вод, необходимо применить весь комплекс водозащитных мер и водоотливных работ при строительстве и эксплуатации горных выработок. Поэтому ТЭДом рекомендована разработка разведанного месторождения путем проходки шахтных стволов с заморозкой, а отработка полезного ископаемого камерным способом с отбойкой пород комбинированным методом (комбайн + БВР) без обрушения кровли на весь период добычи.