Politechnika Wrocławska Wrocław,

Wydział Geoinżynierii

Górnictwa i Geologii

Temat nr 2.Charakterystyka wód podziemnych w górnictwie węgla kamiennego

Prowadzący: Wykonali:

Charakterystyka wód podziemnych w górnictwie węgla kamiennego.

Złoża węgla kamiennego na terenie Polski zalegają w utworach wieku górnokarbońskiego i występują w obrębie trzech Zagłębi:

1. Dolnośląskiego (DZW)

2. Górnośląskiego (GZW)

3. Lubelskiego (LZW)

Około 85% polskich zasobów węgla kamiennego występuje w GZW, dlatego w naszej pracy zaczniemy właśnie od Górnośląskiego Zagłębia Węglowego.

W ramach zapadliska górnośląskiego uformowany jest basen sedymentacyjny o powierzchni 7500 km² i miąższości osadów dochodzących do 11km, którego granice określa zasięg utworów karbonu produktywnego. Stanowi on wielopoziomową hydrostrukturę, w której występują utwory wodonośne od kambru do czwartorzędu włącznie.

Ogólna twardość wód w utworach karbonu waha się w granicach 0,11-887,32 mval/dm³, zaś twardość węglanowa zawiera się w przedziale 0-98,30 mval/dm³. Uwzględniając te wartości, rozpatrywane wody należy zaliczyć od miękkich do bardzo twardych. Wody bardzo twarde, o twardości niewęglanowej (chlorkowej i siarczanowej) są charakterystyczne dla solanek.

Odczyt pH wód waha się od 4,2 do 9,9, co pozwala zaliczyć rozpatrywane wody od kwaśnych do zasadowych. Wody kwaśne i słabo kwaśne są na ogół wodami kopalnianymi, wzbogaconymi na drodze procesów hydrolizy w jony metali ciężkich. Wody warstw wodonośnych położonych głęboko w basenach artezyjskich karbonu górnośląskiego należy zaliczyć do słabo zasadowych i zasadowych.

Koncentracja podstawowych kationów i anionów w wodach, wyrażone w mg/dm³, kształtują się następująco (Wilk 2003):

Kationy		Aniony
Ca^2+	2,4-10900	HCO3^-	4,55-2824,3
Mg^2+	0,1-7306,9	SO4^2-	0-6386,48
Na^+	1,9-103040	Cl^-	0,1-187938
K^+	0,44-10000	NNO3	0-40
Fe(ogólnie)	0,01-295	J^-	0-125
NH4^+	0,003-95	Br^-	0-287,6
Ba^2+	0-824,5	PO4^3-	0-11,2
Sr^2+	0-49,13

Badania Wagner (1997) wykazały występowanie w słonych wodach w utworach karbońskich, w interwale głębokości 548-1982 m, podwyższonych stężeń metali ciężkich. Stężenia metali, wyrażone w mg/dm³, mieszczą się w granicach: Cr = 0,05-1; Cu = 0,15-0,25; Ni = 0,3-1,4; Cd = 0,16-0,75; Pb = 1,4-1,6; Co = 0,8; Zn = 0,15-1.

Wody płytko zalegających poziomów wodonośnych są z reguły wodami wielotonowymi, zaś wody głęboko położonych warstw wodonośnych są głównie wodami dwutonowymi lub trójtonowymi.

W profilu karbonu górnego obserwuje się zróżnicowanie składu chemicznego wód w zależności od ich ogólnej mineralizacji. Wody słodkie, o mineralizacji poniżej 1 g/dm³, należą głównie do typów hydrochemicznych: HCO₃-Ca, HCO₃-SO₄-Ca, SO₄-HCO₃-Ca-Mg. Wody słabo mineralizowane (1-3 g/dm³) należą do wód wielojonowych, zaś średniozmineralizowane (3-10 g/dm³) do wielotonowych przechodzących w miarę wzrostu mineralizacji do wód typu Cl-Na. W składzie gazowej tych wód dominuje azot. Wody silnie mineralizowane(10-35 g/dm³) są wyłącznie typu Cl-Na. Azot dominuje w składzie gazowym tych wód w górnej strefie ich występowania a metan - w dolnej. Świadczy to o tym, iż wody słone mogą występować zarówno w strefie utleniającej, jak i redukcyjnej. Solanki, o suchej pozostałości powyżej 35 g/dm³, należą do typów hydrochemicznych Cl-Na i Cl-Na-Ca. Występują wyłącznie w strefie redukcyjnej. Wysoko mineralizowane wody w izotopowych strukturach są pogrzebanymi solankami typu Cl-Na-Ca. Metan z odgazowania pokładów węgla dominuje w gazowym składzie tych solanek.

Mineralizacja wód podziemnych w utworach karbonu charakteryzuje się zmiennością w granicach 0,2-372 g/dm³. Chemizm wód na poziomie +0,0 m n.p.m. wskazuje na występowanie na tej głębokości wód o zróżnicowanej mineralizacji 2-90 g/dm³. Chemizm wód podziemnych kształtują zarówno czynniki geologiczne jak i antropogeniczne. Występowanie solanek wiąże się z obecnością w tym rejonie złoża soli w utworach trzeciorzędowych. Wody o obniżonej mineralizacji, poniżej 10 g/dm³, występują w I subregionie hydrogeologicznym (północna i północno-wschodnia część Zagłębia) i w zasięgu okien hydrogeologicznych II subregionie (Rydułtów), jak również w rejonach aktywnej eksploatacji górniczej. Sama dynamika zmian wartości mineralizacji w obszarze wód o niewysokich mineralizacjach jest bardzo wysoka. Otwieranie nowych pól eksploatacyjnych kopalń, jak również zamykanie wyeksploatowanych, sprawia, że obszar zasięgu występowania wód o mineralizacji poniżej 5 g/dm³ oraz ich skład chemiczny mogą ulegać zmianom w krótkich okresach.

Mineralizacji wód na poziomie -250 m n.p.m. charakteryzuje się większym na tej głębokości występowaniem wód o mineralizacji od 10 g/dm³ do 200 g/dm³. Można zaobserwować na takiej głębokości lokalne zróżnicowanie mineralizacji, wyrażające się występowaniem obszarów wysokich mineralizacji (kopalnie Mysłowice i Sosnowiec) i obszarów niskich mineralizacji (kopalnie Niwka-Modrzejów i Jaworzno).

Tab.1 Charakterystyka systemów przepływu wód w GZW (Wilk 2003)

Mineralizacja wód na głębokości 500 m n.p.m. wykazuje również przestrzenne zróżnicowanie mineralizacji wód. Maksymalna mineralizacja wód, przekraczająca 100 g/dm³, występuje w centralnej, częściowo północnej części GZW. Wysoka mineralizacja wód występuje w kopalniach: Czeczot, Brzeszcze i Staszic. W rejonie siodła Rybnika notuje się występowanie wód o obniżonej mineralizacji. Na zjawisko to ma wpływ ponad stuletnia głęboka eksploatacja górnicza oraz obecność okna hydrogeologicznego. W części południowo-zachodniej Zagłębia występuje inwersja hydrochemiczna, powodująca obniżenie się mineralizacji wód do ok. 30-50 g/dm³

W skład Dolnośląskiego Zagłębia Węglowego wchodzą pokłady węgla występujące w niecce wałbrzyskiej i niecce Nowej Rudy. Niestety obecnie już nie eksploatuję się w tych miejscach węgla kamiennego. Dlatego pobieżnie opiszemy wody podziemne w kopalniach wałbrzyskich i w Nowej Rudzie.

Same badania hydrochemiczne wód podziemnych w kopalniach wałbrzyskich były prowadzone do końca 1993r. Badaniami objęto wody zbiorcze w pompowniach: pompowniach szybie Julia na poziomie -150, w szybie Teresa na poziomie +50 m, w szybie Victoria na poziomie +70 m, w szybie Chrobry na poziomie +150 m, w szybie Pokój na poziomie +200 m.

Wykonane analizy wykazały, że wody pompowni przy szybach Julia, Victoria i Chrobry są wodami zasadowymi, bardzo twardymi, pięcioskładnikowymi typu SO₄-HCO₃-Mg-Ca-Na lub HCO₃-SO₄-Mg-Ca-Na. Wody pompowni Teresa są słabo zasadowe, twarde, czteroskładnikowe typu HCO₃-Mg-Ca-Na, a wody pompowni Pokój słabo kwaśne, bardzo twarde, pięcioskładnikowe typu SO₄-HCO₃-Mg-Ca-Na. Wody z szybów Pokój i Teresa wyraźnie odbiegają swoim składem chemicznym od badanych wód z pozostałych szybów. Są one słabo mineralizowane i po uzdatnieniu mogą być wykorzystane do celów pitnych. Wody z szybów Chrobry, Victoria i Julia są silnie mineralizowane, zawierają dużo siarczanów i jonów wodorowęglanowych, charakteryzują się one również podwyższoną koncentracją metali ciężkich i śladowych takich jak: chrom, kadm, nikiel, rtęć, stront.

Generalnie, badania potwierdziły odmienność wód podziemnych kopalń wałbrzyskich od wód innych kopalń węgla kamiennego w Polsce. Niewielka mineralizacja chlorkiem sodu (37-137 mg/dm³ Cl^-1) czyni je mniej toksycznymi dla środowiska wód powierzchniowych.

W przypadku Niecki Nowa Ruda, podczas analizy fizykochemicznej wód kopalnianych pobranych na różnych poziomach eksploatacyjnych pola Piast w trakcie opracowywania dokumentacji hydrogeologicznej (Wilk 2003) wykazały, że są to wody o podwyższonej mineralizacji mieszczącej się przeciętnie w granicach 1728-4936 mg/dm³. Wraz z głębokością wzrasta mineralizacja oraz zmienia się skład jonowy wód. Wody typu SO₄-HCO₃-Mg-Ca występujące na poziomie 240 m n.p.m., przechodzą w SO₄-Cl-Na na poziomie -260 m. Wody z poziomów: 240, 40 i -110 m wykazują podwyższoną zawartość żelaza. Według klasyfikacji jakościowej wody kopalniane wszystkich poziomów pola Piast zaliczano do wód przemysłowych technologicznych klasy IIA₂. Stwierdzono, że brak jest wyraźnych tendencji do zmian wielkości mineralizacji i zmiany składu chemicznego w czasie.

W wypadku pola Słupiec wykonane analizy wykazały, że wody kopalniane na poziomach eksploatacyjnych: 170, 50, -110 m mają przeważnie podwyższoną mineralizację, mieszczącą się przeciętnie w granicach 840-2240 mg/dm³, są czterotonowe typu SO₄-HCO₃-Mg-Ca, od średnio twardych do bardzo twardych, słabo zasadowe, odznaczające się słabą lub silną agresywnością siarczanową. Zawartość żelaza przekracza na ogół wartości dopuszczalne dla wód pitnych. Ze wzrostem głębokości poziomów zmienia się skład jonowy wody z czterotonowej typu SO₄-HCO₃-Mg-Ca na trzytonową typu SO₄-HCO₃-Na. Według klasyfikacji jakościowej wody kopalniane z pola Słupiec zalicza się częściowo do: wód pitnych kalsy IA₁ i IA₂, wód pitnych akretalnych klasy IB₂ i częściowo do wód przemysłowych technologicznych klasy IIA₂.

Lubelskie Zagłębie Węglowe stanowi część dużego karbońskiego basenu sedymentacyjnego, ciągnącego się od rejonu Skierniewic po Lwów. Charakterystyka składu chemicznego oparta jest na wynikach analiz próbek pobranych w otworach złożowych adaptowanych do badań hydrogeologicznych i w otworach naftowych.

Wody czwartorzędowego piętra wodonośnego charakteryzują się mineralizacją poniżej 0,5 g/dm³ i typami chemicznymi głownie HCO₃-Ca.

Skład chemiczny wód z utworów kredy górnej jest zróżnicowany w zależności od głębokości występowania poziomu wodonośnego. Mineralizacja wód poziomu wodonośnego waha się od 0,2 g/dm³ do 26,6 i 30,9 g/dm³. Wykazuje ona wzrost ze wschodu i północnego wschodu ku południowemu zachodowi. Zgodnie z tymi kierunkami następuje również zmiana typów chemicznych wód: HCO₃-Mg-Ca, HCO₃-Cl-Mg i HCO₃-Cl-Mg-Ca w części wschodniej oraz Cl-HCO₃-SO₄-Ca i HCO₃-Na-Mg w części północnej, poprzez HCO₃-Na, HCO₃-Cl-Na i Cl-HCO₃-Na w centralnej części Zagłębia do Cl-Na w rowie lubelskim i na południu.

Mineralizacja ogólna wód kompleksu wodonośnego jury kształtuje się w szerokich granicach od 0,194 do 48,6 g/dm³, przy czym we wschodniej i centralnej części Zagłębia nie przekracza ona 12,39 g/dm³. W północno-wschodniej części obszaru wody te charakteryzują się mineralizacją od 0,194 do 1,939 g/dm³ oraz zmiennymi typami chemicznymi, z przewagą HCO₃-Cl-Na i HCO₃-Na. W centralnym rejonie węglowym wody te posiadają mineralizację w granicach 0,41-2,72 (średnio 1,53) g/dm³, a ich skład chemiczny ilustruje następstwo typów chemicznych z północnego wschodu na południowy zachód i południe, od HCO₃-Na poprzez HCO₃-Cl-Na i Cl-HCO₃ do Cl-Na.

Mineralizacja ogólna wód w utworach karbonu zawiera się w dużym przedziale wartości: od 1,2 do 192,1 g/dm³ w zależności od geologicznych warunków występowania utworów przepuszczalnych. Obserwuje się pionową i przestrzenna zmienność składu chemicznego wód, wyrażoną następstwem typów chemicznych od HCO₃-Na i HCO₃-Cl-Na poprzez Cl-HCO₃-Na do Cl-Na.

W wodach z utworów kambru, badanych w północnej części Zagłębia w przedziale głębokości 780-1530 m, występuje typ chemiczny Cl-Na-Ca. Ich mineralizacja waha się od 6,0 do 78,3 g/dm³.

Charakterystyka zmienności stopnia mineralizacji się wód oraz ich składu chemicznego profilu geologicznym Zagłębia wskazuje na występowanie strefowości hydrochemicznej w piętrach wodonośnych, wyrażonej wzrostem mineralizacji ogólnej wód z głębokością oraz następstwem typów chemicznych zgodnie z ogólną prawidłowością: HCO₃-Cl→Cl-HCO₃→Cl.

Bibliografia:

Wilk. Z 2003: Hydrogeologia polskich złóż kopalin i problemy wodne górnictwa.

Wagner J. 1997: Charakterystyka hydrogeologiczna użytkowych poziomów wodonośnych. Poziomy wodonośne karbonu.

Różkowski A. 1989:Stan, rozwój i zakres badań hydrogeologicznych Lubelskiego Zakładu Węglowego. Wiek wód podziemnych w świetle badań ich składu izotopowego.

5

---