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 dotyczy 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 porów
V - 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*J
Objętość 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 zasoby dynamiczne. Qs=F*h*u 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

---