CC BY
37
УДК 624.131.1
Р.Э.ДАШКО, д-р геол.-мин. наук, профессор, regda2002@mail.ru Е.Н.КОВАЛЕВА, магистрант, ekaterina_ feller@mail. ru Санкт-Петербургский государственный горный университет
R.E.DASHKO, Dr. in geol. & min. sc.,professor, regda2002@mail.ru E.N.KOVALEVA, undergraduate student, ekaterina_ feller@mail. ru Saint Petersburg State Mining University
ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ НА ЯКОВЛЕВСКОМ РУДНИКЕ КАК ИНСТРУМЕНТ ПОВЫШЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ВЕДЕНИЯ ОЧИСТНЫХ РАБОТ В СЛОЖНЫХ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ
Рассмотрены сложные гидрогеологические условия Яковлевского месторождения богатых железных руд, на котором горные работы ведутся под неосушенным высоконапорным нижнекаменноугольным водоносным горизонтом. Указана цель проводимого мониторинга. Сравнительный анализ результатов трех циклов гидрогеологического мониторинга показал постепенное расширение фронта перетекания подземных вод из неосушенного горизонта. Указаны негативные последствия такого процесса. Отмечены особенности развития различных биологических форм жизни в руднике, которые разрушают конструкционные материалы. Намечены мероприятия по снижению последствий перетекания.
Ключевые слова: Яковлевское месторождение, богатые железные руды, водоносные горизонты, химический состав вод, перетекание, защитные целики, газогенерация, мик-робиота, грибные культуры.
HYDRO-GEOLOGICAL MONITORING ON THE JAKOVLEVSKY MINE AS IMPLEMENT OF INCREASE SAFETY CONDUCTING MINE SECOND WORKING IN DIFFICULT MINE-GEOLOGICAL CONDITIONS
In article researched difficult hydro-geological conditions of the Jakovlevsky deposit rich iron ores on which mining going under not-drained high-pressured bottomcoal water-bearing horizon. The purpose spent monitoring is resulted. The comparative analysis of results of three cycles of a hydro-geological monitoring which has shown gradual expansion of front of an overflowing of underground waters from not-drained horizon is made. Negative consequences of such process are specified. The development features of various biological forms of a life in mine which destroy construction materials are noted. Actions for decrease in consequences of an overflowing are planned.
Key words: The Jakovlevsky deposit, rich iron ores, water-bearing horizons, chemical compound of waters, overflowing, protective pillars, gasgeneration, microbiota, mushroom cultures.
Яковлевское месторождение Белгородского железорудного района Курской магнитной аномалии относится к уникальным по содержанию железа в рудах, генезис которых связан с образованием химических кор выветривания джеспилитов и
железосодержащих сланцев в позднем протерозое - раннем палеозое.
Залежь богатых железных руд (БЖР) мощностью более 500 м узкой полосой прослеживается в породах архей-протерозойского фундамента и перекрывается чехлом оса- 19
Санкт-Петербург. 2012
дочных пород палеозоя, мезозоя, кайнозоя. К рудному телу приурочен рудно-кристал-лический водоносный горизонт, который осушается с помощью самоизливающихся наклонных и горизонтальных скважин в горных выработках на горизонте 425 м, а к породам осадочного чехла - семь основных водоносных горизонтов. Принципиальное значение имеет залегающий выше рудного тела неосушенный высоконапорный нижнекаменноугольный водоносный горизонт с действующим напором несколько выше 350 м, под которым ведутся горные работы. В процессе осушения рудного тела происходит рост градиентов напоров подземных вод, под действием которых наблюдается перетекание воды в рудную толщу из неосушенного нижнекаменноугольного горизонта.
На участке первоочередной отработки Яковлевского рудника отсутствует выдержанный водоупор между кровлей горных выработок на горизонте 370 м и подошвой нижнекаменноугольного горизонта. В процессе перетекания вод из нижнекаменноугольного водоносного горизонта в рудную толщу происходит вторичное увлажнение рудного тела, а также защитного целика. Вторичное увлажнение приводит БЖР в состояние плывунов и увеличивает вероятность возникновения прорывов подземных вод [2].
Целью гидрогеологического мониторинга является осуществление контроля за расширением фронта перетекания подземных вод из нижнекаменноугольного горизонта для последующей разработки мероприятий по обеспечению устойчивости выработок за счет дополнительных дренажных работ. Еще в 2005 г. был разработан регламент комплексного мониторинга, который включал исследования гидродинамического и гидрохимического режима нижнекаменноугольного и руднокристаллического водоносных горизонтов в подземных выработках, а также по наблюдательным скважинам в пределах и за пределами шахтного поля Яковлевского рудника [1].
Гидрохимический мониторинг основан на резком различии химического состава вод двух исследуемых водоносных горизонтов:
Водоносный Нижнекаменно- Рудно-
горизонт угольный кристаллический
Состав вод Гидрокарбонатно- Хлоридно-
натриевые натриевые
Минерализация, г/л 0,5-0,6 2-3
Водообмен Активный Затрудненный
При перетекании вод из нижнекаменноугольного горизонта в рудно-кристаллический наблюдается снижение его минерализации и содержания хлоридов, при росте количества гидрокарбонатов.
В рамках мониторинга 2010 г. была опробована 41 точка, из которых четыре были расположены на горизонте 370 м, а 37 точек - на горизонте 425 м. Полевым и лабораторным путем оценивалось содержание основных маркирующих макрокомпонентов (хлоридов, гидрокарбонатов) в подземных водах, по которым можно судить об интенсивности нисходящего перетекания из известняков нижнего карбона в рудную толщу. Кроме того, определялась минерализация вод по сухому остатку.
Сравнительная оценка результатов гидрохимического опробования мониторинга (2006-2010) свидетельствует о том, что наблюдается постепенное снижение минерализации дренируемых вод скважинами и другими водопроявлениями на отдельных зонах (см. таблицу).
Наибольшая активность перетекания отмечается на горизонте 425 м в разведочном штреке № 5. Все подземные воды в точках опробования имеют минерализацию по сухому остатку меньше 500 мг/дм3. Воды тектонических трещин в объездной выработке, в вагонном депо и в грузовом квершлаге можно охарактеризовать как минерализованные, имеющие глубинное происхождение. В остальных выработках по результатам изменения химического состава дренируемых вод на горизонте 425 м наблюдается перетекание разной степени интенсивности (рис.1).
Особо следует остановиться на водо-проявлениях на горизонте 370 м, на котором ведутся очистные работы. В выработках на этом горизонте в 2010 г. были зафиксированы четыре зоны, где отмечено перетекание. Для двух водопроявлений на горизонте
Сравнительная оценка содержания основных компонентов химического состава подземных вод рудно-кристаллического водоносного горизонта для оценки интенсивности перетекания на горизонте 425 м
Выработка Номер скважины или водопроявление Год опробования Содержание компонентов, мг/дм3 Минерализация (по сухому остатку), мг/дм3
С1- НСО~
Разведочный штрек № 5 806 2007 51 293 417
2010 49,3 284 392
Разведочный штрек № 7 Тектоническая трещина 2009 880 271 1527
в почве 2010 1234 256 2271
Штрек лежачего бока 2 631д 2006 598 263 Не опр.
2007 598 263 Не опр.
2009 62 281 426
2010 67 281 394
Штрек висячего бока 3 851д 2009 50 284 384
2010 53 281 409
Порожняковый квершлаг 10т 2007 809 395 Не опр.
2009 496 427 1190
2010 486 409 1241
Полевой штрек 4ж 2007 478 305 Не опр.
2009 51 249 378
2010 35 238 347
Транспортный орт 664 2007 319 286 242
2009 209 405 744
2010 159 384 746
Грузовой квершлаг Тектоническая трещина 2007 6027 61,3 98,32
в почве 2009 4750 171 27,78
2010 4715 183 25,77
Рис. 1. Схема развития зон перетекания из нижнекаменноугольного водоносного горизонта в рудную толщу за 2007 и 2010 г.
1 - минерализация по сухому остатку меньше либо равна 600 мг/л; 2 - минерализация по сухому остатку 600-1600 мг/л; 3 - неизменный состав рудно-кристаллического водоносного горизонта; 4 - зона разгрузки минерализованных вод;
5 - зоны перетекания в 2007 г.
в откаточных ортах № 7 и 8 произведена сравнительная оценка состава воды по данным 2007 и 2010 г.:
Выработка Водопроявление
Содержание компонентов, мг/дм3 С1-
НСО3
Минерализация по сухому остатку, мг/дм3 (2010 г.)
Орт № 7 Орт № 8 Капеж из забоя
248/46 248/50 239/287 256/281
419
406
Примечание. В числителе и знаменатетле - данные 2007 и 2010 г. соответственно.
В 2010 г перетекание из нижнекаменноугольного водоносного горизонта усилилось.
Анализ химического состава вод показал, что в вентиляционно-закладочном штреке лежачего бока, в откаточных ортах № 7 и 8 химический состав водопроявлений отвечает составу нижнекаменноугольного водоносного горизонта. В пункте обслуживания самоходного оборудования (ПОСО) водопроявление из трещины по химическому составу воды соответствует рудно-кристаллическому водоносному горизонту (рис.2). Наблюдаемое перетекание на горизонте 370 м требует принятия мер по его ликвидации.
По данным гидрохимического опробования выделены следующие зоны по интенсивности перетекания (см.рис.1 и 2):
• прямой связи с нижнекаменноугольным горизонтом;
• разбавления вод рудно-кристалличес-кого горизонта за счет перетекания;
• постепенного разбавления минерализованных вод тектонических трещин.
По результатам гидрохимических исследований 2010 г. установлено незначительное расширение площадей перетекания на горизонте 425 м по сравнению с 2009 г., поскольку большую часть времени рудник простаивал. Однако, если учесть результаты гидрохимического опробования в 2007 г., то отчетливо прослеживается расширение площадей перетекания из нижнекаменноугольного горизонта в ряде зон штрека висячего бока (см.рис.1).
На горизонте 425 м в разведочном штреке № 7 еще ранее было отмечено водопрояв-ление с газовыделением. Была отобрана проба газовоздушной смеси. Анализ газовой составляющей показал наличие метана, а также повышенное содержание аргона и углекислого газа, которые по всей вероятности имеют глубинное происхождение:
Газ CH4 СО: Содержание, %
в газовоздушной смеси 0,5 в воздухе 0
N2
0,7 71,3 0,04 78,1
Ar
1,8
0,9
Примечание. Анализ был выполнен в аккредитованной испытательной лаборатории РНЦ «Прикладная химия» на газовом хромато-масс-спектрометре GC НР 5890 - MSD НР 5972А.
В регламент комплексного мониторинга были включены микробиологические исследования рудного тела, поскольку работы, проведенные еще в 2004-2006 гг., зафикси-
Ш0-
н
Вентиляционно-закладочный штрек лежачего блока
Выработка пункта обслуживания самоходного оборудования
2
3
1
Рис.2. Схема расположения зон перетекания на горизонте 370 м из нижнекаменноугольного водоносного горизонта в рудную толщу в 2007 и 2010 г.
1 - зона с минерализацией по остатку меньшей или равной 600 г/дм3; 2 - зона с неизменным составом рудно-кристаллического водоносного горизонта; 3 - зоны перетекания в 2007 г.
ровали в богатых железных рудах активно действующий и богатый биоценоз. Были выделены группы микроорганизмов, которые в аэробных условиях способны разлагать целлюлозу.
Указано, что загрязнение рудной толщи углеводородами (дизельным топливом, соляровым маслом) способствует активизации микробной деятельности [3].
В 2008-2010 гг. из-за простаивания рудника и снижения подачи воздуха в горные выработки наблюдалось формирование застойного аэродинамического режима с повышенными влажностью и температурой. Мониторинг отметил рост численности и активности деятельности микроорганизмов, в том числе теплолюбивых, что сопровождалось выделением слизи на стенках выработок. Число видов микромицетов повысилось до 28 вместо 20 ранее выявленных. Почти все зафиксированные виды микромицетов известны как активные биодеструкторы различных материалов. На горизонте 370 м на стенках ПОСО, где используются горюче-смазочные материалы, обнаружены гифы высшего бази-диального гриба, которые образуют разветвленные тяжи (ризоформы). Высокая плотность и прочность таких тяжей обеспечивается за счет выделения склеивающего вещества полимерной природы, что требует специальных исследований.
В 2010 г. впервые зафиксировано присутствие в горных выработках плодовых тел базидиальных грибов из рода Р1еиго^. Большинство выявленных видов относится к несовершенным грибам и развиваются на дереве, используемом для забутовки при креплении горных выработок.
Выводы
1. Гидрохимический мониторинг показал, что расширение фронта очистных работ с недозакладкой выработанного пространства приводит к существенной активизации процесса перетекания подземных вод из не-осушенного нижнекаменноугольного водоносного горизонта, причем особенно опасны водопроявления на горизонте 370 м.
2. Для интенсификации процесса снижения напоров в нижнекаменноугольном водо-
носном горизонте можно рекомендовать проходку двух несовершенных скважин на этот горизонт, которые должны располагаться по границам рудного тела в зоне с высокой водо-проводимостью. Учитывая высокое качество воды в скважине 806, возможно использование для питьевого водоснабжения.
3. Необходимо реализовать исследования по воздействию не только микробиоты, но и грибных культур на динамику разрушения металлической крепи за счет развития метаболитических процессов особенно в условиях постоянного увлажнения руд и пород в процессе перетекания вод из не-осушенного горизонта.
4. Следует сократить период наблюдений при проведении мониторинга до трех месяцев для оперативного назначения мероприятий по предупреждению вторичного увлажнения руд и формирования сосредоточенного перетекания.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гусев В.Н. Основные принципы организации развития гидрогеомеханического мониторинга в подземных выработках Яковлевского рудника / В.Н.Гусев, Р.Э.Дашко, Н.С.Петров // Записки Горного института. СПб, 2006. Т.168. С.132-139.
2. Дашко Р.Э. Исследование возможности прорывов подземных вод из нижнекаменноугольного водоносного горизонта в горные выработки Яковлевского рудника / Р.Э.Дашко, А.В.Волкова // Записки Горного института. СПб, 2006. Т.168. С.142-149.
3. Дашко Р.Э. Микробная деятельность в подземных выработках и ее влияние на свойства богатых железных руд и конструкционных материалов / Р.Э.Дашко, А.В.Волкова, Д.Ю.Власов // Записки Горного института. СПб, 2006. Т.168. С.165-174.
REFERENCES
1. Gusev V.N., Dashko R.E, Petrov N.S. Main principle of the development organization hydrogeomecanical monitoring in underground developments of Jakovlevsky mine // Proceedings of Mining Institute. Saint Petersburg, 2006. Vol.168. P.132-139.
2. Dashko R.E, Volkova A.V. Research of underground waters breaks possibility from Lower Carbon water-bearing horizon in mine developments of Jakovlevsky mine // Proceedings of Mining Institute. Saint Petersburg, 2006. Vol.168. P. 142-149.
3. Dashko R.E., Volkova A.V., Vlasov D.J. Microbic activity in underground developments and its influence on properties of rich iron ores and constructional materials // Proceedings of Mining Institute. Saint Petersburg, 2006. Vol.168. P.165-174.
