CC BY
28УДК 556.33.632
Едигенов М.Б.1, Усупаев Ш.Э.2, Атыкенова Э.Э., Шаршенов Б.
1Институт водных проблем и гидроэнергетики НАН КР,
2ЦАИИЗ
ГЕОРИСКИ, ИНДУЦИРОВАННЫЕ ДОБЫЧЕЙ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
Аннотация: В работе приведены особенности формирования и проявления георисков при освоении месторождений полезных ископаемых.
Ключевые слова: геориск, месторождение, геоэкологическая обстановка, полезные ископаемые.
КЕН БАЙЛЫКТАРЫН КАЗЫПАЛУУ МЕНЕН ИНДУЦИРЛЕНГЕН
ГЕОТОБОКЕЛДИКТЕР
Кыскача мазмуну: Макалада кен байлыктарын eздeштYPYYДe геотобокелдиктеринин пайда болушунун жана кeрYHYштeрYHYн eзгeчeлYктeрY келтирилген.
Туйундуу сездер: геотобокелдик, казып алуу жайы, геоэкологиялык жагдай, пайдалуу казып алынуучулар.
Abstract: The peculiarities of georisks formation and occurrence during minerai deposits development are presented at the paper.
Keywords: geo-risk, deposit, geoecological situation, minerais.
При освоении недр горно-рудной промышленностью, в результате выемки карьерами и шахтами огромных масс грунтов, нарушаются напряжённо-деформированные состояния устойчивого равновесия в разрабатываемых тектонических блоках и грунтовых массивах, что активизирует ранее невозможные новые опасные процессы и явления создающие геориски природного и техногенного характера [1-10].
Масштабы и темпы добычи полезных ископаемых в мире достигли значительных размеров: например, сверхглубокая скважина Кольская имеет глубину до 12 км, нефтяные скважины до 5-7 км, а шахты пронизывают недра на первые несколько км.
Горно-добывающие техногенные воздействия ежегодно возрастают и совокупность перемещаемых горных масс и их компонентов в настоящее время сравнима с силами природного характера, а по темпам нарушения окружающей геологической среды техногенные изменения превышают природные их аналоги. Так, на сравнительно небольшой территории, Кыргызский Тянь-Шань содержит в своих недрах несколько тысяч месторождений, проявлений руд и неметаллических полезных ископаемых, в десятках из которых, при их освоении, проявлялись индуцированные геориски вследствие нарушения баланса устойчивого равновесия в окружающей геологической среде.
Северный Тянь-Шань представлен допалеозойскими метаморфическими и нижнепалеозойскими породами каледонской складчатости, где в островодужных осадочно-вулканогенных образованиях размещены золоторудные месторождения - Джеруй, Долпран, Талдыбулак Левобережный, серебра - Кумыштаг, железа и ванадия - Бала-Чичкан, свинца и цинка - Боорду, Курган, бериллия - Калесай, Четенды, Тюкту-Арча, редких земель - Кутессай-П, алюминия - Сандык, меди - Талдыбулак, Андаш, Акташ, Ташкоро, Икичат, висмута -
MINERAL DEPOSIT MINING INDUCED GEORISKS
Мироновское, мышьяка - Уч-Имчек, тория, свинца и редких земель - Ак Тюз [5-8]. В результате землетрясения 15.04.1964 г. интенсивностью 5 баллов была разрушена дамба Актюзского радиоактивного хвостохранилища №2. Из Кыргызстана в Казахстан по р. Кичи-Кемин были вынесены прорывными потоками по руслу реки и арычной ирригационной сети около 680 тыс.м3песка и ила,содержащихторий.
Срединный Тянь-Шань, сложенный метаморфическими породами протерозойского возраста, прорваных гранитоидами среднего-верхнего карбона, включает месторождения золота - Кумтор, Макмал, молибдена - Чаарташ, вольфрама - Кенсу, Кумбель, железа - Гава, Джетымское, урана, молибдена и ванадия - Сарыджазское, меди - Куру-Тегерек, Бозымчак, полиметаллов - Сумсар, сурьмы - Терек, Кассан. На крупнейшем в Центральной Азии золоторудном месторождении Кумтор, в период освоения, на бортах гигантского карьера происходили ряд обрушений. Дамба хвостохранилища измещением более 100 млн м3, сооруженная из местных грунтов на многолетней мерзлоте, постепенно смещается. Здесь же происходит оттаивание естественной плотины высокогорного озера Петрова, прорыв которого представляет угрозу смыва селевыми потоками и разрушения содержащего цианиды хвостохранилища Кумтор, что может стать трансграничной экологической катастрофой в виде выброса опасных ингредиентов в бассейны рек Нарын и Сыр-Дарьи [5-8].
В Южном Тянь-Шане, в обстановках от срединно-океанических хребтов до пассивной окраины континента, в среднепалеозойских образованиях в условиях развития магматизма герцинского орогенеза, сформированы полезные ископаемые сурьмы - Кадамджай, Абшир, ртути - Хайдаркан, Чонкой, золота - Тахтазан, Алтын-Джилга, Ничкесу, Тоголок, вольфрама -Трудовое, Меликсу, олова - Трудовое, Учкошкон, алюминия - Зардалек, Катранбашинское, Каранглинское, свинца и цинка - Турабулак, кобальта - Чалкуйрюк, стронция - Джидабулак, тантала и ниобия - Дельбек, Тутек, железа - Надир [5-8].
В качестве одного из примеров георисков на Южном Тянь-Шане, следует указать на сформировавшуюся опасную геоэкологическую обстановку в районе месторождения Хайдаркана, как на поверхности - в результате многолетней добычи и транспортировки ртути, так - и в результате обводнённости шахт, что требует проведения горнорудничных мероприятий по откачке вод. Комбинатом в годы активной деятельности ежегодно в атмосферу выбрасывалось до 13 тонн металлической ртути, 315 тонн пыли, 295 тонн оксида углерода и 45 тонн диоксида серы. Выброс технологических отходов осуществлялся через дымовую трубу на абсолютной отметке 1980 м над уровнем моря. В 2001 г., в результате шестичасового перебоя в подаче электроэнергии, произошло затопление шахтного пространства. Для возобновления добычи на нижних горизонтах и проведения откачки рудничных подземных вод потребовалось до двух лет времени [5-8].
На вышеуказанных сегментах Тянь-Шаня в настоящее время идёт освоение новых месторождений, что сопряжено с возникновением новых различных георисков.
В процессе добычи урана в Кыргызстане фиксировались опасные процессы и явления, которые связаны не только с радиоактивными дозами излучения. В 1899 г. впервые были найдены урановые минералы в северных предгорьях Алайского хребта на месторождении Тео-Моюне. В 1904 г. на данном урано-ванадиевом месторождении были начаты разведочно-эксплуатационные работы, и в течение 6 лет с 1907 по 1913 гг. здесь было добыто 820 т руды, 655 т из них вывезено в г. Петербург для извлечения радия и урана, и их дальнейшего экспорта в Германию. Добыча урана велась подземным способом: глубина рудника достигла 220 м. В дальнейшем добыча урана в Кыргызстане осуществлялась несколькими рудниками - Майлуу-Суу, Мин-Куш, Каджи-Сай, Кавак, прекратившими свою деятельность в середине 60-х годов [5-8].
Для месторождений уранагеориски - это отходы производства, законсервированные в радиоактивных хвостохранилищах, и не рекультивированные горные отвалы, расположенные на поверхности. Они находятся в условиях активного воздействия землетрясений, оползней, селей, береговой эрозии, приводящих к разгерметизации и разрушениям дамб сооружений.
По инженерно-геологическим особенностям в районах расположения отходов горного производства выделяются классы грунтов: рыхлые (связные и несвязные), которые представлены четвертичными отложениями, обладающими достаточно высокими свойствами водопроницаемости. По оценкам коэффициента устойчивости дамбы большинства хвостохранилищ, вследствие давности срока эксплуатации, ослабили свою прочность от К=1,2 до К=0,93 - до 7-балльных землетрясений [5-8].
За период эксплуатации месторождений произошло несколько катастрофических техногенных аварий, которые загрязнили значительные площади земель и нарушили геоэкосистемы Кыргызстана с выносом загрязняющих и радиоактивных ингредиентов в трансграничные районы стран Центральной Азии [8]. Так, в результате разрушения дамбы хвостохранилища №7 вследствие землетрясений 09-14.12.1958 г. и одновременного выпадения ливневых осадков, по р. Майлуу-Суубыл выброшен на протяжении более 40 км радиоактивный селевой поток объемом 600 тыс. м3, который прошел по территории Кыргызстана и Узбекистана. В настоящее времяв районе города Майлуу-Суу, в результате многолетней (с 1950-х годов) добычи урановой руды и нефти, сформировались и представляют геориски по разгерметизации и разрушению неустойчивых дамб оползни (до 262), расположенные рядом с объектами [6-9]. В 1959 г. в результате водной эрозии произошла разгерметизация дамбы радиоактивного уранового хвостохранилища в районе г. Кара-Балта. Радиоактивные вещества попали в ирригационные сети и орошаемые поля.
Золоторудное месторождение Кумтор, эксплуатация которого проводится с 1996 года, расположено на абсолютной отметке 3600 м, на северном склоне хр. Акшийрак - водоразделе между ледниками Давыдова и Лысый, на истоке водных систем рр. Арабель и Кумтор. Такое размещение горного предприятия - вблизи русел рек и на языках ледников, указывает на наличии потенциальных геоэкологических рисков. За 17 летний период эксплуатации рудника хвостохранилище Кумтора разрослось по площади до 2250,0 тыс.м2 и объёма ёмкости с отходами в виде пульпы - до 110 млн. м3. В настоящее время здесь работы ведутся открытым способом с применением 20 тонн взрывчатого вещества при каждом взрыве. После взрывов облака из смеси пыли, песка и осколков камней падают на поверхности близлежащих ледников, загрязняют их, что отражается на активности таянья льдов [5-9]. Кроме этого, геологическими рисками в районе месторождения являются деградация вечной мерзлоты и связанные с ней процессы (фильтрация вод, термопросадки, термоэрозии в зоне влияния отводного канала отр. Арабель, проложенного в обход хвостохранилища), а также осадки грунта под зданиями и сооружениями. К георискам относятся также изменение режима ледников Давыдова и Лысый за счёт складирования на них отвальных пород иоползание и обрушение бортов карьера в виде внезапного падения скальных блоков, вызванное процессами промерзания-оттаивания приповерхностных слоев массива горных пород и сотрясения при буровзрывных работах [8, 9].
Северный Казахстан. Изменение гидрогеологических, инженерно-геологических условий при освоении группы крупнейших железорудных месторождений Северного Казахстана - Соколовское, Сарбайское, Южно-Сарбайское, Качарское и Куржункульское, оолитовых железных руд - Лисаковское, группы бокситовых месторождений на территории Костанайской области, а также Васильковского месторождения золота, сопряжены с формированием и проявлением георисков [10].
Исследование гидрогеологических и инженерно-геологических условий от стадии разведки до стадии освоения и в процессе добычи рудных месторождений, позволяет определить динамику уровней и изменений химизма подземных вод, вовлекаемых в водоотлив, выявить граничные условия основных водоносных горизонтов, обводняющих карьеры и шахты, а также разработать прогнозы устойчивости бортов карьеров и шахтного пространства [10].
На инженерно-геономической карте оценки и прогноза георисков на территории Кыргызстана выделены 6, оринтированных с севера на юг, мередиональных нарушений с
повышенной сейсмичностью (с запада на восток): 1-более 80 км., П-100 км, Ш-50 км, IV-77 км^-41 км, VI-83 км (рисунок 1).
Анализ карты показывает, что по угрозам от георисков административные области в уменьшающемся порядке могут быть расположены так: 1.Чуйская, 2.Жалал-Абадская, 3.Иссык-Кульская и Ошская, 4.Баткенская, 5.Нарынская, 6.Таласская.
В современных условиях планомерное и устойчивое развитие дренажных систем отрабатываемых месторождений и программа слежения за их эффективностью, одна из приоритетных задач горной индустрии, решение которой позволит осуществлять и применять на практике незыблемый принцип - безопасность горных работ [10].
Особенностью размещения месторождений полезных ископаемых в Центральной Азии и трансграничных с ней территориях, является их приуроченность, как правило, к разломам второго порядка, которые скоррелированы с региональными разломами и складчатыми структурами.
Территории, сопряжённые с вышеуказанными месторождениями полезных ископаемых, продолжают осваиваться и разрастаться, т.е. ежегодно происходят нарушения природного устойчивого равновесия в связи с проходкой горных выработок, которые способствуют изменениям деформационного и напряженного состояния пород в пределах сферы инженерного и техногенного воздействия горно-проходческих машин и механизмов.
В первую очередь, по мере углубления и расширения карьеров и шахтных пространств, осваиваемые рудоносные массивы подвергаются воздействиям следующих составных компонентов напряженно-деформированного состояния: 1 - осевого, 2 - радиального, 3
- окружного и 4 - сдвигового [5]. При этом известно, что величина данных напряжений может достигать нескольких десятков МПа (научное открытие Айтматова И.Т. и Тажибаева К.Т. -явление остаточного напряжения в горных породах). Например, для железорудных месторождений достигает 50 МПа [2].
По экспериментальным и инструментальным измерениям горизонтальные напряжения в массиве грунтов превышали вертикальные на глубине 100 м - в 20 раз, 600 м - в 4 раза и, как следствие, в результате нарушения природного равновесия при добыче полезного искомаемого активизируются геориски [1, 5].
Природа георисков, сопряжённых с горнорудной деятельностью, кроется в нарушении геостатического нормального напряжённо-деформационного состояния горных пород в массивах эффектом превышения геостатического вертикального напряжения горизонтальными напряжениями, которые, вследствие вышеуказанного открытия остаточных напряжений, проявляются на глубинах от 10-100 м до 1-1.5 км [2].
Следует подчеркнуть, что по результатам массового экспериментального определения напряжений и физико-механических свойств горных пород на месторождениях различных регионов нашей планеты, Марковым Г.А. и Савченко С.М. [1] установлена закономерность, что в 60% случаев высокие горизонтальные напряжения приурочены к изверженным породам, до 20% - к метаморфическим, а оставшиеся 20 % - к иным осадочным сцементированным отложениям [5]. Также, высокие горизонтальные напряжения вне зависимости от генезиса и возраста пород, как правило, активно проявляются в региональном плане - в зонах восходящих движение земной коры.
В результате воздействия современных движений, унаследующих характер новейших тектонических движений на Тянь-Шане и в горно-складчатых регионах Центральной Азии, горизонтальные деформации и напряжения сжатия направлены вкрест простирания основных геодинамических структур и, соответственно, имеют зональность в распределении [3].
Рисунок 1. Инженерно-геономическая карта оценки и прогноза георисков от воздействия отходов горного производства на территории Кыргызстана (авт. Усупаев Ш., Атыкенова Э.). Условные обозначения: 1-радиоактивные хвостохранилища уранового ряда; 2-радиоактивные отходы ториевые; 3-хвостохранилища, содержащие цианид натрия; 4-отходы, содержащие сурьму и мышьяк; 5-хвостохранилища с солями тяжёлых металлов; 6- перспективные месторождения полезных ископаемых, находящиеся в разной степени освоения; 7-региональные глубинные разломы; 8-меридиональные сквозные сейсмоактивные зоны дислокаций; административные области (9-15): 9-Чуйская, 10-Жалал-Абадская, 11-Иссык-Кульская, 12-Ошская, 13-Баткенская, 14-Нарынская, 15-Таласская; 16-водоразделы бассейнов стока рек, направляющих ИГН-геориски по геоморфологическим условиям вне зависимости от административных границ; 17- административные границы областей и населённые пункты Кыргызстана; 18-номера зон меридиональных скрытых сейсмоактивных систем нарушений; 19-направления возможной миграции радиоактивных и токсично опасных ингредиентов по руслам рек.
При извлечении горных масс, по Айтматову И.Т. [2], на рудниках Центральной Азии (в.т.ч. Кыргызстане и Казахстане) в результате взамодействия сил удерживания подземных выработок во внутренних пространствах, осваиваемых массивах пород, силами остаточных напряжений происходят техногенно-природные геориски в виде горных ударов, которые закономерно проявляются в зависимости от степени прочности пород: для очень крепких грунтов на глубинах 800-1000 м, крепких - 650-750 м, пород средней прочности - 450-550 м [1].
По исследованиям научной школы инженер-геологов академика Сергеева Е.М.[5] в орогенах Центральной Азии, на большинстве горно-складчатых структур и щитах, напряжения выше по значению от гравитационных. Преобладают, как правило, напряжения сжатия. Однако, в зонах дизьюнктивных нарушений проявляются растягивающие напряжения. При этом, в тектонических разломах перед геологическим телом дизъюнктива, величина напряжений увеличивается, а в зоне смещения резкоуменьшается. Поэтому, при проходке горных выработок в зонах концентрации напряжений нормального и остаточного характера проявляются геориски в виде горных ударов, выбросов, стреляния или внезапного разрушения горных пород, в зонах разгрузки напряжений проявляются вывалы горных масс.
При добыче полезных ископаемых, как следствие, остаются на поверхности земли отработанные карьеры с глубинами до 100 и более метров с ёмкостями от первых до десятков кубических километров. При этом карьеры, в связи с выпадением атмосферных осадков и разгрузкой подземных вод, наполняются, образуя большие водоёмы.
Проведённые исследования, позволили установить, что при заполнении водохранилища объёмом до 2 км3 и глубине до 100 м проявляются геориски в виде наведённой сейсмичности [4]. Например, после выемки горной массы (0.5-1.0 км3) на Хибинском месторождении проявлялись техногенно-индуцированные землетрясения. Одновременно, в подготовку индуцированных землетрясений были вовлечены окружающие массивы, превышающие на два порядка и составляющие до 100 км3. Заметные деформации грунтов прослеживались от выемки карьеров на расстояние равное двум-трем её размерам [4].
Таким образом, добыча полезных ископаемых сопряжена с развитием проявляющихся в процессе освоения недр индуцированных георисков природного и техногенного характера, требующих проведения комплексных исследований на основе создания сети мониторинга, оценки их развития и прогнозирования.
Выводы
1. Выявлены пространственно-временные факторы и закономерности природного и техногенного характера, формирующие геориски в массивах пород при процессах разведки, добычи и эксплуатации месторождений полезных ископаемых.
2. Предлагается оптимизировать систему мониторинга за динамикой и качеством водоотбора, а также за устойчивостью бортов карьеров и шахтного пространства на действующих рудниках или подготавливаемых к эксплуатации месторождениях.
3. Выявление особенностей гидрогеологических и инженерно-геологических условий для оценки обводнённости и прогнозирования устойчивости бортов карьера и шахтных выемок месторождений полезных ископаемых на различных стадиях его освоения необходимо проводить с учётом множества факторов и закономерностей проявления свойств массивов пород, приведённых в данной работе.
Литература
1. Марков Г.А. Савченко С.Н. Напряжённое состояние породи горное давление в структурах рельефа. Л.:Наука,1984, - 140 с.
2. Айтматов И.Т. Геомеханика рудных месторождений Средней Азии. Фрунзе: Илим, 1987,246 с.
3. Мамбетов Ш.А. Прогнозирование и контроль напряжённо-деформированного состояния массива пород в высокогорных районах. Фрунзе:Илим, 1988, 189 с.
4. Сергеев Е.М. Грунтоведение. М.:МГУ, 1983 г., 389 с.
5. Усупаев Ш.Э. О новейших и современных геодинамических эндогенных движениях как источниках естественного напряжённого состояния грунтов на территории Кыргызстана. Тр. Междунар. научной конференции 14-15 июля 2006 г. "Напряжённое состояние породного массива и наведённая геодинамика недр". Бишкек, 2006, с. 139-149.
6. Торгоев И.А. Геоэкологический мониторинг при освоении ресурсов гор Кыргызстана. Бишкек: Илим, 1996 г., 96 с.
7. Щербаков Д.И. Месторождения радиоактивных руд и минералов Ферганы. Л.,1924 г., с. 4.
8. Усупаев Ш.Э., Атыкенова Э.Э. Гидрогеолого-гидрологические аспекты оценки и прогноза геоэкологического загрязнения и радиационного заражения на территории Кыргызстана и трансграничных районах со странами Центральной Азии.//Ж.Известия НАН КР, Бишкек:Илим, 2012, №3.
9. Усупаев Ш.Э., Шаршенов Б. О генезисе георисков в Арабель-Кумторской межгорной впадине.//Мониторинг и прогноз возможной активизации чрезвычайных ситуаций на территории Кыргызской Республики. Бишкек.: МЧС КР, 2014 г., с.658 - 660.
10. Едигенов М.Б. Гидрогеология рудных месторождения Северного Казахстана. Костанай, 2013 г., с. 308.
