CC BY
15
© A.C. Батугин, E.B. Хотченков, 2013
А.С. Батугин, Е.В. Хотченков
ВЫЯВЛЕНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ КАРСТОВОЙ НАРУШЕННОСТИ ТЕРРИТОРИИ С ЦЕЛЬЮ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ГОРНО-ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
При многих видах строительства, добыче полезных ископаемых и строительных материалов запускаются механизмы, ведущие к развитию карстовых процессов. При этом ведение человеком хозяйственной деятельности, связанной с сооружением масштабных объектов, несёт в себе риск возникновения чрезвычайных ситуаций и сопряженных с ними экологических последствий. Ключевые слова: суффозия, карст, мониторинг, геодинамически опасные зоны (ГОЗ).
В региональном масштабе наиболее существенные изменения геологической среды при эксплуатации месторождений полезных ископаемых происходят под влиянием осушения водоносных горизонтов и дренирующего действия горных разработок, охватывающих большие площади (до нескольких тысяч квадратных километров) и большие глубины (до 1000 м). Наиболее интенсивно развиваются процессы, когда находится в эксплуатации одновременно целая группа месторождений.
На площади региональной депрессионной воронки, как правило, нарушается режим взаимосвязи подземных и поверхностных вод; происходит дренирование родниковой сети, колодцев, используемых для водоснабжения, и др., что прежде всего изменяет общие ландшафтные условия, увеличивает степень обводнения горных выработок и требует принятия специальных защитных мер от негативного воздействия техногенных процессов (изоляция и отвод поверхностных вод, устройство централизованного водоснабжения населенных пунктов и др.). Карстово-суффозионные техногенные процессы, возобновляющие свое развитие при глубоком осушении водоносных карбонатных пород на рудных месторож-
дениях, оказывают свое существенное влияние на деформацию поверхности, поверхностных сооружений и нередко создают сложную ситуацию непосредственно в подземных горных выработках.
Проходка шахтных стволов и горизонтальных выработок ведется под защитой предварительного, а затем эксплуатационного осушения обычно с помощью системы водопонижаю-щих скважин и подземных дренажных горных выработок.
Карбонатные породы всегда в той или иной степени являются трещиноватыми и закарстованными, хотя и неравномерно по площади и глубине. В горно-складчатых областях, где карбонатные породы обычно сложно-дислоцированные, наибольшая трещиноватость и закарстованность отмечается вдоль зон тектонических нарушений.
При выходе на поверхность, обычно формируется карстовый рельеф с четко выраженными карстовыми воронками самых различных размеров.
Интенсификация карстово-суффозионных процессов происходит непосредственно под влиянием водопонижения и осушения подземных горных выработок. Процессы эрозионного выноса рыхлых образований из обводненных карстовых полостей сопровождаются появлением в рудничных водах большого количества взвешенного твердого материала — глинистых частиц, тонкозернистого песка, нередко и гравия, что является хорошим индикатором предвестником последующего прорыва разжиженной горной массы вместе с водой в подземные горные выработки.
Аналогичные условия формирования карстово-суффозион-ных процессов наблюдаются и при осушении горных разработок на Южно-Уральских бокситовых месторождениях. На рис. 1, представлена принципиальная схема формирования карстовых форм в полостях при осушении горных разработок.
Наблюдениями на горнорудных предприятиях было установлено, что карстово-суффозионные процессы развиваются весьма медленно во времени, что затрудняет их прогнозирование. Работы по геодинамическому районированию позволяют выделить зоны, на которых эти процессы развиваются более интенсивно, а соответственно карстовые явления наблюдаются чаще и с более высокой плотностью.
ЕЭ' ЕЭ' 00/
ШВ* ГП/
Рис. 1. Принципиальная схема формирования карстово-суффозион-ных процессов при осушении рудных месторождений: 1 — известняки; 2 — сланцы; 3 — статический уровень подземных вод; 4 — уровень подземных вод в нарушенных условиях; 5 — шахта; 6 — карстовые полости, заполненные рыхлыми отложениями; 7 — воронки обрушения; 8 — направление движения подземных вод; 9 — разломы; 10 — родник
На месторождениях Урала карбонатные породы перекрываются толщей песчано-галечниковых и песчано-глинистых образований древнечетвертичного возраста аллювиального и пролювиально-делювиального происхождения. На Южно-Уральских бокситовых месторождениях водоносные карбонатные породы перекрываются покровными песчано-глинистыми образованиями также четвертичного возраста.
28 мая 1990 г. на шахте Кургазакская Южно-Уральского бокситового месторождения произошел горно-тектонический удар, который был уникальным по масштабам площадного разрушения целиков (на площади десятки гектаров). После горнотектонического удара на месторождении были выполнены исследования по геодинамическому районированию. Со временем, анализируя механизмы горно-тектонических ударов на других месторождениях, а также землетрясений при закрытии шахт, авторы [1, 2] пришли к убеждению, что горно-тектонический удар на шахте Кургазакская сопровождался подвижкой блоков пород по тектоническому нарушению, которая, в свою
очередь, была спровоцирована прорывом воды из карстового провала на реке Ай.
При интенсивном нарушении режима фильтрационного потока в карбонатных породах, возникшего при осушении шахтного поля, создались благоприятные гидрогеологические условия для формирования суффозионной эрозии песчано-глинистого материала в карстовых полостях [2]. Этот механизм запустился на поле шакты Кургазакская после образования воронки депрессии. После образования воронки депрессии по тектоническим нарушениям начался переток воды в шахту, что привело к постепенному промыванию их сместите-лей снизу вверх до земной поверхности и формированию карстовых провалов. Карстовые провалы неоднократно возникали прямо в русле реки Ай, на границах геодинамически активных блоков, что приводило к резкому увеличению притока воды в шахту.
Например, 15 июля 1984 года в русле реки обнаружен провал с размерами по ширине реки 10 м, по длине реки 14 м, глубиной 21 м. Ликвидирован провал к 1 сентября. 21 июня 1985 года обнаружен провал с размерами по ширине реки 10 м, по длине реки 8 м, глубиной 9 м. В том же месте 29 августа 1985 года обнаружен провал с размерами по ширине реки 5 м, по длине реки 4 м, глубиной 20 м.
Возможности прогнозирования карстово-суффозионных процессов. Механизм этих процессов является сложным, как сложными являются процессы карстообразования. Как показали наблюдения, карстовые и суффозионные процессы в карбонатных породах развиваются под влиянием ряда факторов в том числе и техногенных, поэтому проявляются они по-разному на различных объектах.
К техногенным факторам следует отнести: условия формирования нарушенного режима трещинно-карстовых вод под влиянием осушения; степень, интенсивность и глубину осушения; размеры распространения депрессионной воронки при осушении и др.
Разработка теоретических основ формирования карстово-суффозионных процессов по существу ещё находится в стадии накопления фактического материала.
В связи с этим прогнозная оценка возможного проявления этих процессов может быть дана только качественно.
В основу качественного прогноза карстово-суффозионных процессов определенной территории могут быть положены выявленные закономерности пространственного распределения. Механизмом оценки может служить определение геоди-намически опасных зон (ГОЗ), приуроченных к границам геодинамических блоков и выявление зависимости по отношению к остальной территории. Соответственно подробные и более детальные исследования необходимо производить именно в этих зонах.
Для оценки влияния ГОЗ на интенсивность карстовых явлений на первом этапе осуществляем подсчет зафиксированных карстовых явлений исследуемой площади Эобщ. А также определение протяженности границ геодинамических блоков Ь.
Также на основании данных работы (И.М. Батугина, И.М. Петухов, 1988) определяется ширина границ блоков Ьгд. Таким образом, общая площадь границ блоков
5га = L • Игд, (км2). (1)
Для оценки удельной плотности карстовых явлений, произошедших в ГОЗ, можно воспользоваться выражением:
Р2 = N2 / БгД, (шт/км2). (2)
где N2 — общее количество карстовых явлений произошедших в ГОЗ.
Также удельная плотность карстовых явлений произошедших вне ГОЗ, равна:
Р1 = N1 / Эх, (шт/км2), (3)
где N1 — общее количество карстовых явлений, произошедших вне ГОЗ; Б! — общая площадь участка за вычетом Эгд.
Принимая значения р1 как фоновую удельную плотность карстовых явлений, можно оценить среднюю удельную плотность карстовых явлений, произошедших под влиянием ГОЗ при помощи действия:
Ргд = Р2 - Р1, (шт/км2). (4)
Таблица 1
Сводная таблица удельных плотностей карстовых явлений на исследуемых участках
Исследуемый участок Удельная плотность карстовых явлений произошедших вне ГОЗ; Р1, (шт/км2) Удельная плотность карстовых явлений произошедших в ГОЗ; Р2, (шт/км2) Отношение Р1 / Р2 Отношение площади ГОЗ к общей площади исследования; %
СУБР 9,87 35 3,55 3,34
ЮБР 0,13 2 15,39 12,5
Участок Mineral Beach 131 536,5 4,1 15,2
Участок Ein-Gedi 23,53 103,3 4,39 12,23
Трасса метрополитена (г. Уфа) 3,91 14,29 3,66 14,59
Определим, во сколько раз плотность карстовых явлений, произошедших в ГОЗ выше фонового уровня карстовых явлений. с = Р2 / pi (5)
Для статистической оценки произведены расчеты на 5 участках подверженных в разной мере карстовым процессам. Среди них участки с проведением горных работ. А именно: Северо-уральский бокситовый рудник, Южно-Уральский бокситовый рудник, проектируемая трасса метрополитена г. Уфа, участки интенсивного развития карстовых процессов на побережье Мертвого моря Mineral Beach и Ein-Gedi (Израиль).
Про итогам расчетов составлена сводная таблица удельных плотностей карстовых явлений (табл. 1).
Из таблицы видно, что удельная плотность карстовых явлений геодинамически опасных зон в среднем в 4 раза выше, чем на остальных площадях. При этом площадь ГОЗ занимает сравнительно небольшую долю.
Для наглядной демонстрации определим показательным участок СУБРа, поскольку отношение p1 / p2 на нем является минимальным из всех представленных. 258
Рис. 2. Диаграмма удельных плотностей карстовых явлений на участке СУБРа: pj
— фоновая. p2 — произошедшие в ГОЗ
Ргоз
Так, из рис. 2 видно, что при весьма малой суммарной площади границ блоков Эгд, составляющих всего 3,34 % удельная плотность карстовых явлений на них ргд более 3,5 раз превышает удельную плотность карстовых явлений р! на всей остальной площади Э1 исследуемой территории СУБРа.
Таким образом, полученные результаты могут иметь практическое значение в целях мониторинга и при оценке техногенной карстовой нарушенности массивов горных пород. Так, на территориях объектов горнодобывающей промышленности исследованиям карстовой опасности должны предшествовать работы по геодинамическому районированию; выделению границ геодинамических блоков, геодинамически опасных зон, детальному их изучению, и с учетом результатов осуществлять выбор и постановку сети наблюдений или методов исследования.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Батугин A.C. Тектонофизическая модель горно-тектонических ударов с подвижками крыльев крупных тектонических нарушений// Горный информационно-аналитический бюллетень. Отдельный выпуск. — № 1. — 2010. — С. 252—264.
2. Батугина И.М., Петухов И.М. Геодинамическое районирование месторождений при проектировании и эксплуатации рудников. М, Недра.1988. 166 с.
3. Плотников П. И. Защита окружающей среды при разработке рудных месторождений. М.: Наука, 1985г.
4. Справочник по вероятностным расчетам. Изд 2-е доп. и испр. Воен-издат. 1970. 536 стр.
5. Трофимов В.Т. и др. Защита окржающей среды при горных разработках рудных месторождений. М.: Наука, 1985 г. ЕШ
Батугин Андриан Сергеевич — доктор технических наук, профессор, Московский государственный горный университет, ud@msmu.ru, Хотченков Евгений Викторович — младший научный сторудник, Государственный геологический музей им. В.И. Вернадского РАН, jek79@mail.ru.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
