CC BY
60
УДК 556.336(571.65)+628.112(571.65)
ВОДОПРИТОКИ В ГОРНЫЕ ВЫРАБОТКИ ПРИ ОСВОЕНИИ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ В ТОЛЩЕ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ПОРОД НА СЕВЕРО-ВОСТОКЕ РОССИИ
В.Е. Глотов, Л.П. Глотова
Северо-Восточный комплексный научно-исследовательский институт (СВКНИИ) ДВО РАН ул. Портовая, 16, 685000, Магадан, Россия
Описаны малоизученные процессы поступления подземных вод в выработки, пройденные в толще многолетнемерзлых пород. Приведены доводы в обоснование предположения, что процессу инфильтрации из водоисточников предшествует поступление рыхлосвязанных вод из льдистых локальных трещиноватых зон.
Северо-Восток России в географическом отношении является крупным (площадь около 2 млн км2) полуостровом Евразийского континента. Он омывается морями Северного Ледовитого и Тихого океанов, более 70% его площади занято разновысотными горами. Повсеместно развита толща многолетнемерзлых пород (ТММП), мощность которой под водоразделами достигает 600 м (иногда больше). В речных долинах и в межгорных впадинах она сокращается, в среднем, до 120-150 м. В промышленном отношении регион стал осваиваться около 70 лет назад, после открытия месторождений олова, золота и ископаемых углей. На всех вновь открытых месторождениях первоначальным объектом эксплуатации являются запасы полезного ископаемого, залегающие в ТММП. Это связано с тем, что стенки горных выработок в многолетнемерзлых породах устойчивые, часто не требуют крепления, выработки сухие, условия труда горняков благоприятные. Тем не менее, водопритоки в горные выработки, прежде всего в подземные, случались и каждый раз эти случаи были непредсказуемыми.
Такой случай произошел, например, на Валькумейском оловорудном месторождении осенью 1972 г. [1]. Данное месторождение расположено на юго-западном окончании Певекского полуострова, омываемого водами Чаунской губы Восточно-Сибирского моря. В геологическом отношении месторождение олова находится в трещиноватой эндоконтактной зоне одноименного гранитного массива. В среднем породы проморожены от поверхности до глубины 230 м. Минимальные замеренные температуры выше -5,2°С. Подошва пояса отрицательных температур вблизи морского побережья опускается на глубину 220 м ниже уровня моря. Подошва мерзлых (со льдом) пород на данном участке, чаще всего, около 100 м. По данным наших исследований подмерзлотные воды относятся к трещинно-жильному типу, будучи приуроченными к рудным телам.
Водопритоки в горные выработки до указанного эпизода происходили только в подмерзлотной зоне. Они отмечались в виде капежа или тонких струй. Первоначальный водоприток достигал 85 м3/сут, затем падал до ничтожно малых величин, или выработки обсыхали. Следовательно, питание подмерзлотных вод в настоящее время отсутствует или крайне затруднено [2].
При отработке рудной зоны 1 на горизонте -50 м, т.е. выше подошвы многолетнемерзлых пород, в опережающую скважину стала поступать соленая вода в количестве около 10 м3/сут. Поскольку рудная зона в проекции совпадала с пляжной полосой Чаунской губы, то горняки предположили, что в выработку поступает морская вода. Аналогичный случай ранее происходил на руднике «Раздельный» на побережье Карского моря, приведший к затоплению шахты [3].
Выполненные нами исследования показали, что в горные выработки рудной зоны 1 поступает вода не из Чаунской губы, а из изолированной трещинной емкости. Содержащаяся в ней вода имеет состав, выражаемый формулой ^74 *00 , ее тем-
(№ + К)98
пература -2°С. В то же время вода на шельфе Чаунской губы с глубины в 91 м ниже
дна имеет состав с. Г4].
’ (№ + 1С)78-Мб17
Изучив весь комплекс материалов о характере поступления воды при работе рудника, мы сделали заключение, что в рудной зоне 1 вскрыта внутримерзлотная линза криопэгов. Происхождение ее связано с трансгрессией моря около 0,210-0,215 млн лет назад. Для безопасной работы вскрытую линзу рекомендовано осушить, организовать постоянный контроль за составом вскрываемых вод. Последующие годы работы рудника подтвердили существование таких гидравлически изолированных внут-римерзлотных линз соленых вод, не связанных с современным морем.
Прорывы пресных речных вод в горные выработки, пройденные в ТММП, обычно связывают с оттаиванием пород в зоне трещиноватости, соединяющей указанную выработку с источником пресной воды. Полагают, что такие притоки возможны, если в обсуждаемой зоне температура повысится выше 0°С за счет отепляющего влияния горных работ. Однако в реальности температура в подземных выработках, вскрывших многолетнемерзлые породы, по правилам техники безопасности поддерживается ниже 0°С.
Другой причиной притока воды считают формирование вокруг выработки ореола открытой трещиноватости, связанной с проведением подземных взрывных работ. Этот процесс возможен, но подобная трещиноватость при применяемых мощностях зарядов (не превышающих нескольких килограмм в тротиловом эквиваленте) не углубляется в толщу горных пород на расстояние более первых десятков м. В то же время водопритоки происходили из приповерхностных водоносных объектов в подземные выработки отделенные ТММП до 100 м и более. Наиболее показателен случай произошел на руднике им. Лазо, на котором отрабатывается месторождение олова [5]. В геологическом отношении оно представлено интенсивно дислоцированной толщей юрских и верхнетриасовых роговиков, глинистых сланцев и мелкозернистых песчаников. Породы водопроницаемы исключительно по трещинам в зонах разломов. ТММП сплошная, окна сквозных подрусловых таликов выявлены за пределами площади горного отвода. Месторождение дренируется речкой Дерас-Юрега, левого притока р. Сеймчан (бассейн р. Колыма). Мощность ТММП в долине этого водотока в среднем 155 м. Подмерзлотные воды - напорные в речных долинах и со свободным
уровнем в верхних частях склонов - пресные. Состав их выражается формулой
ртрр мел 27ГЧ91
МО 22 ■ -3- - 4 . Как отметил В.Г. Гольдтман, «около рудных жил встре-
’ Са48(На + К)271У^25
чались сильноминерализованные сульфатные воды» [5]. Этот факт отмечал также А.И. Калабин [6]. В середине 50-х гг. XX в. в квершлаге, пройденном вкрест простирания долины р. Дерас-Юрега по сухим мерзлым породам с температурой около -1°С, на глубине 80 м ниже русла указанной реки, через два месяца после проходки выработки из кровли вначале отмечен капеж, который перешел в истечение тонких, затем обильных струй воды. Приток воды через трое суток возрос до 300 м3/ч. В последующем квершлаг был гидроизолирован и затоплен. Горняками сделан вывод, что причина водопритока кроется в оттаивании горных пород за счет отепляющего влияния выработки и образования открытых трещин при взрывных работах.
К сожалению результатов химического анализа воды нет, и изменений ее состава во времени не установлено. Приведены лишь качественные характеристики. Но и они заставляют предполагать более сложный процесс становления притоков воды в горную выработку через толщу ММП. Основанием для этого заключения послужили изученные нами факты поступления воды из мерзлых пород в горные выработки рудника «Агатовский».
Агатовское месторождение рудного золота расположено в верховьях р. Бахапча -правого притока р. Колыма на Главном мировом водоразделе. Рельеф в районе месторождения представлен выположенным низкогорьем с абсолютными отметками 1000-1300 м, относительные превышения 200-300 м, водораздельные гряды широкие, плоские, слабо расчлененные, углы откоса склонов речных долин от 5 до 25°.
В геологическом отношении месторождение приурочено к северному окончанию субмеридионального Малтано-Ольского вулканического прогиба, сложенного эффузивными образованиями мелового возраста, к зоне пересечения глубинных долгоживущих разломов северо-западного и северо-восточного простирания. Разломы представлены зонами дробления и смятия пород шириной до 300 м. Отмечены также многочисленные тектонические смещения по рудным жилам. Типы оруденения золото-сульфоантимонитовый и золото-сфалерит-галенитовый.
Многолетнемерзлые породы развиты повсеместно. Мощность их толщи на водоразделах до 300 м, в днищах речных долин 80-120 м. Сквозных таликов на площади месторождения не установлено.
По отношению к ТММП выделены воды надмерзлотные и подмерзлотные. Над-мерзлотные воды приурочены к сезонноталому слою (СТС). Оттаивание его начинается в первых числах июня, промерзание - в первых числах октября. Глубина сезонного оттаивания достигает на горных склонах 1,0-1,5 м, в руслах сезонно функционирующих водотоков до 2,0-2,5 м. В эту пору уровень воды в СТС примерно на 0,5 м ниже поверхности земли. Склоны окончательно промерзают к началу декабря, а под-русловые отложения - к середине января.
ТММП до глубины 40-45 м по нормали к склону, насыщены прожилками льда, выполняющего гипергенные трещины; ширина прожилков от долей мм до 3-4 мм, реже до 1 см, в зонах разломов можно встретить жилы льда до 0,4 м. Минимальная температура ММП замерена в скважине на плоском водоразделе на глубине 35 м. Она равна -4,2°С. В льдистых зонах повышенной трещиноватости сульфиды слабо окислены.
Подмерзлотные воды напорные. На водоразделе их уровни примерно на 10-12 м
ниже дневной поверхности, в долинах водотоков скважины самоизливаются. Состав
подмерзлотных вод выражается формулой МО 2 ^4 54НСО, 16 .
Са76Иа16
Месторождение в ТММП отрабатывается штольнями. При проходке их вскрываемые породы и рудные жилы мерзлые, выработки сухие. Однако в уже пройденные выработки примерно через 1-2 месяца после начала теплого периода из кровли в зонах разломов начинается капеж, который переходит в струйные выделения воды. Первоначально обводнялись штольни наиболее высоких горизонтов, затем более низких. Вода просачивается не только в отрабатываемые, но и в законсервированные выработки. Суммарный водоприток в конце августа - первой половине сентября при достижении наибольших глубин сезонного оттаивания составлял 2500 м3/сутки, т.е. более 100 м3/час.
Обводнение выработок сопровождается обрушением кровли, образованием кате-ков льда на боках и почве выработок в начале холодного периода года. В ходе обследования в апреле 2003 г. нами выявлены рудоспуски, полностью заполненные льдом. Из производственной документации видно, что льдообразование на кровлях и боках выработок начинается во второй половине октября и продолжается до конца декабря.
Необходимо отметить, что в пределах площади отрабатываемого рудного поля на водоразделе нет поверхностных водотоков или водоемов. При геологоразведочных работах и при проходке горных выработок внутримерзлотных водоносных емкостей не встречено. Следовательно, источником воды является обводненный СТС. Это подтверждается и тем, что химический состав поступающей воды возрастал по мере заглубления горных работ (табл.).
Таблица
Химический состав подземных вод, поступавших в горные выработки
Место взятия пробы воды Характерные ионы (мг/дм3) Формула химического состава
804 С1 Са
Штольня рудной зоны «Лунное», отм. 1005 м, ~ 40 м от дневной поверхности 377 9,7 172,3 М079 80470НС0328 Ca63Na23Mgl4
Там же, отм. 956 м, ~ 90 м от дневной поверхности 1375,2 10,21 544 М2,2 8°‘98 Ca77Mg21
Там же, рабочая зона, отм. 907 м, ~ 150 м от дневной поверхности 957 12,4 957 М3,6 8°4" Са45Ка291^18
Примечание: * Данные СВКНИИ ДВО РАН; химик-аналитик ДС. Кротова; пробы воды взяты горным мастером Г.Н. Ширяевым 07.09.2002 г.
Возрастание минерализации воды с глубиной и преобразование ее состава в сульфатный указывает на достаточно активные процессы окисления сульфидов инфильт-рующейся водой. Минерализация ее, особенно в самом верхнем горизонте, такова, что она не могла фильтроваться при температуре пород ниже -1,0°С. Следовательно, миграция воды происходила в толще пород около 0°С, может быть и выше 0°С. При обследовании выработок в конце зимнего периода года мы убедились, что открытых трещин в зонах разломов нет, все они заполнены льдом, т.е. за зиму водопроводящие зоны повторно промерзают. На горизонтах «956 м» и «907 м», в зонах трещиноватости, в кровле образуются налеты солей, которые представлены галотрихишм (РеАЦЗО^^НгО] - 60%, ярозигом (К'Рез'[804]2[0Н]6) - 30%,, мелангеритом (Ре504-7Н20) - 10% (минералог д.г. -м.н. Н.Е. Савва). Эти вещества свидетельствуют о
поступлении к фронту испарительной конденсации пленочных или капиллярных вод, имеющих температуру замерзания ниже 0°С.
Таким образом, собранные материалы позволили сделать вывод, что в локальных зонах повышенной трещиноватости при температуре выше минимальной из замеренных (-4,2°С) могут содержаться рыхлосвязанные пленочные и, возможно, капиллярные воды, минерализация которых достигает значений, позволяющих существовать воде в жидкой фазе при данной температуре, т.е. около 40-45 г/л. В соответствии с теоремой Онсагера, в термодинамических системах, каковыми являются «СТС -ТММП - подмерзлотная зона» и «СТС -ТММП - подземная горная выработка», при наличии градиентов температур, концентраций компонентов, потенциальной энергии и др. возникают необратимые процессы диффузии, перемещения воды и т.д. Разновидностью миграции воды от области с более высокой потенциальной энергией к
»доттгтАЙ ооттяртпо /4\ат*гт~\Отттт<т т р ттм^гЬлтамо ишттйХЛ/П ППТП.Т ПЛ1Т отТТРМРТРКРАЛ ПЛЯТТТЛ—
чниип * .V. х 1
ента потенциальной энергии. Скорость файлюационного потока прямо пропорциональна этому градиенту, хотя движение жидкости может происходить при любом, отличном от нуля его значении [7]. Следующий вид движения, возможный в мерзлых породах, - перемещение пленочных вод от участков наиболее толстой пленки к тонкой. Уменьшение толщины пленки происходит при испарении воды в атмосфере выработки, что наиболее благоприятно в зимнее время. В условиях Агатовского месторождения градиент потенциальной энергии определяется разностью уровней вод под-мерзлогных и СТС и мощностью ТММП. На участке ведения горных работ эта величина близка к отношению *?-_ ~ о 03 • После проходки горной выработки градиент
300-м ’
будет равен 1, т.е. увеличивается более чем в 30 раз. Видимо, сам факт пересечения зоны повышенной трещиноватости горной выработкой становится причиной резкого возрастания градиентов потенциальной энергии, и соответственно, активизации нисходящей миграции воды. При наличии ее поверхностных или приповерхностных источников перемещение постоянно обновляющегося слоя рыхлосвязанной воды вызывает ускорение процессов окисления сульфвдов, которые сопровождаются выделением большого количества тепла (при окислении пирита выделяется 1440 кДж/моль). Эго тепло способствует ускоренному оттаиванию льда по контакту с сульфидизиро-ванной породой (рудой). Последнее способствует преобразованию файлюации, движения рыхлосвязанной и капиллярной воды в фильтрацию. Начальным признаком этого процесса являются солевые выцветы на кровле горной выработки. Взрыв даже малых зарядов взрывчатых веществ порождает в породах упругие колебания, которые активизируют реакции окисления сульфвдов [8] и способствуют ускорению перемещения воды в мерзлых породах. При наличии круглогодичного источника воды (например, на руднике Лазо) локальная зона повышенной трещиноватости превращается в устойчивый водопроводящий талик. Если такой источник сезонно функционирующий, то в зимнее время он перемерзает или пересыхает; кроме того, миграция пленочной воды в СТС направлена к фрошу промерзания, т.е. к дневной поверхности. При этом масса воды, содержащейся в локальной зоне трещиноватости, сокращается. Соответственно уменьшается и количество тепла, необходимого для сохранения путей фильтрации воды в талом состоянии. Это создает предпосылки сезонного перемерзания вновь сформированного талика. Такие же случаи наблюдались при отработке Карамкенского золоторудного месторождения.
Можно утверждать, что во всех случаях вскрытия выработками в ТММП субвер-тикальных локально трещинных зон сульфидной минерализации с жилами и про-
жилками льда, прослеживаемых до подошвы СТС, произойдет оттаивание льда по контакту с вмещающими мерзлыми породами. Это приведет к обвалам кровли, водо-притокам, к увлажнению кусков отбитой руды и последующем их смерзанию и другим негативным последствиям. Такие процессы наблюдались, например, на Карам-кенском рудном месторождении. По нашему мнению, наиболее действенный способ предупреждения этого явления - крепление вскрытых зон набрызгом бетонного покрытия. Это предупредит активизацию движения воды в режиме файлюации и будет поддерживать выработку в устойчивом состоянии.
ЛИТЕРАТУРА
1. Глотов В.Е'., Глотова Л.П. Подземные воды Валькумейского оловорудного месторождения //Колыма. 2003. № 2. - С. 21-28.
2. Глотов В.Е. Водоносные комплексы Верхояно-Чукотской сложной гидрогеологической складчатой области и Охотско-Чукотской области вулканогенных супербассейнов //Гидрогеология СССР. Т. XXVI. Северо-Восток СССР. - М., 1972. - С. 108-156.
3. Пономарев В.М. Подземные воды территории с мощной толщей многолетнемерзлых горных пород.-М., 1960.
4. Ефимова Д.И., Романов В.В., Сепецкий Ю.Б., Якубовский А.В. Тритий и дейтерий в водах Западной и центральной Чукотки //Материалы по геологии и полезным ископаемым Северо-Востока СССР. -Магадан, 1978.-С. 169-174.
5. Толъдтман ВТ. Особенности разработки месторождений полезных ископаемых в связи с мерзлотно-гидрогеологическими условиями //Гидрогеология СССР. Т. XXVI. Северо-Восток СССР. - М., 1972. - С. 239-262.
6. Калабин А.И. Вечная мерзлота и гидрогеология Северо-Востока СССР. - Магадан, 1969.
7. Арье А.Г. Влияние физического взаимодействия воды и породы на процесс геофильтрации: автореф. дисс.... докт. г.-м. наук. - М., 1986.
8. Што Н.А., Измайлов Л.И., Воропаев В.Н., Мишин С.В. Влияние сейсмического фактора на процессы рудообразования на примере золоторудных месторождений //Тихоокеанская геология. 1983. № 5.-С. 21-26.
GROUND WATERS ENTERING MINING WORKINGS IN PERMAFROST AREAS OF THE NORTH-EASTERN RUSSIA
V.Ye. Glotov, L.P. Glotova
North-Interdisciplinary Scientific Research Institute of the FEB RAS Portovaya, 16, 685000, Magadan, Russia
This is a description of ground water processes in mining workings made in permafrost areas. An assumption is made that water infiltration is proceeded by combined and anastatic water comings from ice-infilled rock fissures.
Глотов Владимир Егорович, кандидат геолого-минералогических наук, заведующий лабораторией геологии нефти и газа и геоэкологии Северо-Восточного комплексного научно-исследовательского института ДВО РАН.
Глотова Людмила Петровна, старший научный сотрудник лаборатории геологии нефти и газа и геоэкологии Северо-Восточного комплексного научно-исследовательского института ДВО РАН.
