CC BY
28
УДК 624.131.1
Р.Э.ДАШКО, д-р геол.-минерал, наук, профессор, [email protected] Е.Н.КОВАЛЕВА, студентка, [email protected]
Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет)
R.E.DASHKO, Dr. in geol. & min. sc., professor, [email protected] E.N.KOVALEVA, student, [email protected] Saint Petersburg State Mining Institute (Technical Universiti)
КОМПЛЕКСНЫЙ МОНИТОРИНГ ПОДЗЕМНЫХ вод НА ЯКОВЛЕВСКОМ МЕСТОРОЖДЕНИИ БОГАТЫХ ЖЕЛЕЗНЫХ РУД И ЕГО РОЛЬ В ПОВЫШЕНИИ БЕЗОПАСНОСТИ ВЕДЕНИЯ ГОРНЫХ РАБОТ В УСЛОВИЯХ НЕОСУШЕННЫХ ВОДОНОСНЫХ
ГОРИЗОНТОВ
Приведена специфика гидрогеологических условий Яковлевского месторождения и действующей системы дренажа на одноименном руднике. Подчеркивается, что горные работы ведутся под неосушенными высоконапорными водоносными горизонтами. Комплексный гидрохимический и гидродинамический мониторинг подземных вод рассматривается как инструмент для повышения безопасности ведения очистных работ в сложных горно-геологических условиях. Проведен сравнительный анализ результатов трех циклов гидрогеологического мониторинга, который показал постепенное расширение фронта перетекания подземных вод из неосушенного горизонта и негативные последствия такого процесса. Отмечены особенности развития различных биологических форм жизни в руднике, разрушающие 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.
COMPLEX MONITORING OF UNDERGROUND WATERS ON THE JAKOVLEVSKY DEPOSIT OF RICH IRON ORES AND ITS ROLE IN INCREASE OF MINE WORKS CONDUCTING SAFETY IN THE CONDITIONS OF NOT DRAINED WATER-BEARING HORIZONS
Specificity of hydro-geological conditions of the Jakovlevsky deposit and operating system of a drainage on the mine with the same name is resulted. It is underlined that mine works are conducted under not drained high pressure water-bearing horizons. The complex hydro-chemical and hydrodynamic monitoring of underground waters is considered as implement for increase of safety of extraction mine works in difficult mine-geological conditions. The comparative analysis of hydro-geological monitoring three cycle's results which has shown gradual expansion of underground waters overflowing front from not drained horizon is carried out. 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 - одно из крупнейших и наиболее изученных месторождений Белгородского железорудного района с высококачественными богатыми железными рудами (БЖР), приуроченными к химическим корам выветривания джеспилитов и железосодержащих сланцев допалео-зойского возраста.
Месторождение характеризуется особо сложными горно-геологическими условиями и в настоящее время разрабатывается под неосушенными высоконапорными водоносным горизонтами, что создает определенные трудности в процессе ведения горных работ и позволяет выделить гидрогеологический фактор как один из наиболее значимых при оценке безопасности функционирования рудника.
Согласно особенностям геологического строения Яковлевского месторождения -наличия архей-протерозойского фундамента, в котором узкой полосой выделяют залежь богатых железных руд химических кор выветривания мощностью более 500 м и перекрывающий ее осадочный чехол пород нижнего палеозоя, мезозоя и кайнозоя, стратифицируют гидрогеологический разрез этого объекта. К рудному телу приурочен рудно-кристаллический водоносный горизонт, определяющий обводнение горных выработок. Подземные воды рудного тела уже более 10 лет осушаются на горизонте -425 м с помощью самоизливающихся наклонных и горизонтальных скважин. В настоящее время сформировалась мощная де-прессионная воронка в пределах и за пределами шахтного поля, позволяющая вести очистные работы на практически осушенном горизонте -370 м. Воды рудно-кристаллического водоносного горизонта, расположенного в зоне затрудненного водообмена, хара1сгери-зуются хлоридно-натриевым составом с минерализацией 2-3 г/дм3
Залегающий над рудным телом нижнекаменноугольный водоносный горизонт, действующий напор которого в 2010 г. несколько превышает 350 м, приурочен к неравномерно закарстованным известнякам. В средней и нижней частях разреза нижнего карбона прослеживаются незакарстованные
глинистые известняки с прослоями углистых глин и углей. Наличие органической компоненты предопределяет формирование восстановительных условий и активную микробную деятельность, за счет которой наблюдается биохимическая генерация сероводорода. Воды нижнекаменноугольного водоносного горизонта мягкие гидрокарбо-натно-натриевого состава и имеют минерализацию 0,5-0,6 г/дм3 за счет процессов активного водообмена.
На участке первоочередной отработки Яковлевского рудника отсутствует выдержанный водоупор между кровлей горных выработок на горизонте -370 м и подошвой нижнекаменноугольного водоносного горизонта. Ведение горных работ под неосушенными высоконапорными водоносными горизонтами предопределяет необходимость защитного целика, мощность и прочность которого гарантировали бы невозможность прорывов подземных вод в горные выработки. Ранее выполненные расчеты показали, что в условиях полного осушения пород и руд целика прорыв вод из нижнекаменноугольного горизонта исключается при его мощности, составляющей 65 м, но в реальных условиях при снижении отметок подошвы нижнекаменноугольного водоносного горизонта до -317м мощность целика уменьшается до 53 м. При вторичном увлажнении БЖР, которые составляют около 50 % разреза целика, и снижении его мощности до 53 м возрастает вероятность формирования прорывов подземных вод [2]. В процессе ведения очистных работ в условиях недозакладки выработанного пространства отмечается активная деформация кровли, что приводит к снижению прочности руд и пород целика и повышению его водопроницаемости.
Медленное снижение напоров нижнекаменноугольного водоносного горизонта при постоянном принудительном осушении рудно-кристаллического горизонта создает условия для нисходящего перетекания маломинерализованных вод в рудную толщу, что сопровождается опреснением вод руд-но-кристаллического горизонта и вторичным увлажнением осушенного рудного те-
ла, а также защитного целика. Следовательно, подземные воды неосушенного высоконапорного нижнекаменноугольного водоносного горизонта следует рассматривать как один из важнейших природных факторов, определяющий дополнительные притоки в горные выработки, вторичное увлажнение БЖР, перенос растворенного сероводорода, который весьма агрессивен по отношению к стали и бетонам.
К одниму из важных инструментов контроля за расширением фронта перетекания подземных вод из неосушенных горизонтов, залегающих выше рудного тела, нужно отнести комплексный гидрогеодина-мический мониторинг. Еще в 2005 г. была разработана концепция такого мониторинга для условий Яковлевского рудника. В состав наблюдений комплексного мониторинга были включены два блока. Первый блок -исследования гидродинамического и гидрохимического режима двух водоносных горизонтов: нижнекаменноугольного и рудно-кристаллического в подземных выработках. Второй блок гидрогеомеханического мониторинга включает наблюдения, которые проводятся на поверхности в пределах шахтного поля по наблюдательным гидрогеологическим скважинам, оборудованным на два указанных водоносных горизонта [1].
Гидрохимический мониторинг основан на резком различии химического состава вод двух исследуемых водоносных горизонтов. При перетекании вод из нижнекаменноугольного горизонта в рудно-кристалличес-кий наблюдается снижение его минерализации и содержания хлоридов, что сопровождается ростом количества бикарбонат-иона.
Первый цикл гидрохимического мониторинга был выполнен в августе 2006 г. и в феврале 2007 г., далее второй и третий циклы были проведены в начале февраля 2009 г. и конце января 2010 г. соответственно. С каждым годом количество точек гидрохимического опробования увеличивалось (табл.1).
В рамках мониторинга 2010 г. была опробована 41 точка, из которых 4 расположены на горизонте -370 м, а 37 точек - на горизонте -425 м. Полевым и лабораторным путем оценивалось содержание основных
маркирующих макрокомпонентов в подземных водах - хлориды, гидрокарбонаты, по которым, как уже отмечалось, можно судить об интенсивности нисходящего перетекания из известняков нижнего карбона в рудную толщу. Кроме того, определялась минерализация вод по сухому остатку.
Таблица 1
Количество точек гидрохимического опробования водопроявлений по годам и циклам мониторинга
Количество точек
Цикл мониторинга Год опробования гидрохимического мониторинга
Горизонт -425 м Горизонт -370 м
1 2006 18
2007 21 2
2 2009 31
3 2010 37 4
Сравнительная оценка результатов гидрохимического опробования за три цикла мониторинга (2006-2010 гг.) свидетельствует о том, что наблюдается постепенное снижение минерализации дренируемых вод скважинами и другими водопроявлениями на отдельных зонах (табл.2). По снижению отношения содержания хлоридов к гидрокарбонатам можно оценить интенсивность процесса перетекания подземных вод в горные выработки. Величина отношения
СГ/НСО3 в 2010 г. по семи скважинам (табл.2) варьирует в пределах от 0,17 до 1,19, что подтверждает активность нисходящего перетекания вод из нижнекаменноугольного горизонта.
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 и коэффициент СГ /НСО^ равен 0,17. В 2007 г. в дренажных скважинах 761 р и 767 в том же штреке значения коэффициента изменялись от 10,2 до 1,0 соответственно. После начала эксплуатации скважины 806, 761р и 767 не функционируют. Воды тектонических трещин в объездной выработке, в вагонном де-
Таблица 2
Сравнительная оценка содержания основных компонентов химического состава подземных вод рудно-кристаллического водоносного горизонта для оценки интенсивности перетекания на горизонте -425 м (данные 2006, 2007, 2009 и 2010 гг.)
Выработка, скважина либо водопроявление Год опробования Содержание компонентов, мг/дм3 CI"/НС03" Минерализация по сухому остатку, мг/дм3
СГ HCOJ
Разведочный штрек № 5, с кв. 806 2007 51 293 0,17 417
2010 49,3 284 0,17 392
Разведочный штрек № 7. 2009 880 271 3,25 1527
Тектоническая трещина в почве 2010 1234 256 4,82 2271
Штрек лежачего бока - 2, скв.631д 2006 598 263 2,27 Не определена
2009 62 281 0,22 426
2010 67 281 0,24 394
Штрек висячего бока - 3, скв.851 д 2009 50 284 0,18 384
2010 53 281 0,19 409
Порожняковый квершлаг, скв.10т 2007 809 395 2,05 Не определена
2009 496 427 1,16 1190
2010 486 409 1,19 1241
Полевой штрек, скв.4ж 2007 478 305 1,57 Не определена
2009 51 249 0,20 378
2010 35 238 0.15 347
Транспортный орт, скв.664 2007 319 286 1,12 242
2009 209 405 0,52 744
2010 159 384 0,41 746
Штрек лежачего бока-2, скв.631 д 2007 598 263 2,27 Не определена
2009 62 281 0,22 426
2010 67 281 0,24 394
Грузовой квершлаг (ПК 18 + 5 м). 2007 6027 61,3 98,32 10263
Тектоническая трещина в почве 2009 4750 171 27,78 8540
2010 4715 183 25,77 10097
по 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 горизонте -370 м в 2010 г. были зафиксированы четыре зоны, где отмечается перетекание. Для двух водопроявлений на горизонте -370 м в откаточных ортах № 7 и № 8 произведена сравнительная оценка состава воды по данным 2007 и 2010 гг. В 2010 г. отмечается усиление перетекания из нижнекаменноугольного водоносного горизонта, что нашло отражение в уменьшении значе-
ния коэффициента С1 /НСО^ по сравнению с 2007 г. (табл.3).
Выполненный 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, 2):
Штрек висячего бока - 3
Квершлаг № 1
Ств.З
Порожняковый квершлаг
Объездная
Рис.1. Схема развития зон перетекания из нижнекаменноугольного водоносного горизонта в рудную
толщу за 2007 и 2010 гг. (горизонт -425 м)
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.
Таблица 3
Сравнительная оценка изменения основных компонентов химического состава подземных вод рудно-кристаллического водоносного горизонта для оценки интенсивности перетекания на горизонте -370 м (данные 2007 и 2010 гг.)
Выработка, скважина либо водопроявление Год опробования Содержание компонентов, мг/дм3 СГ/HCOj Минерализация по сухому остатку, мг/дм3
СГ HCOJ
Орт № 7, капеж из забоя 2007 248 239 1,04 Не определена
2010 46 287 0,16 419
Орт № 8, капеж из забоя 2007 248 256 0,97 Не определена
2010 50 281 0,18 406
оборудования
Рис.2. Схема расположения зон перетекания на горизонте -370 м из нижнекаменноугольного водоносного горизонта в рудную толщу в 2007 и 2010 гг. 1 - минерализация по сухому остатку меньше либо равна 600 г/дм3; 2 - неизменный состав рудно-кристаллического водоносного горизонта; 3 - зоны перетекания в 2007 г.
• прямой связи с нижнекаменноугольным горизонтом - минерализация по сухому остатку меньше либо равна 600 г/дм3;
• разбавления вод рудно-кристаллического горизонта за счет перетекания - минерализация по сухому остатку 600-1600 г/дм3;
• постепенного разбавления минерализованных вод тектонических трещин.
Если сравнить результаты гидрохимических исследований, выполненные в 2010 г., то отмечается незначительное расширение площадей перетекания на горизонте -425 м по сравнению с 2009 г., поскольку большую часть времени рудник простаивал. Отсутствие развития фронта очистных работ стабилизирует гидрогеологическую ситуацию. Однако, если сравнить 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 водопроявление 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 (табл.4). Необходимо продолжить мониторинг за динамикой газопроявления по тектоническим трещинам.
Таблица 4
Анализ газовоздушной смеси из водопроявления в разведочном штреке Ks 7 на горизонте -425 м
Содержание газовой
Газ компоненты, %
Газовоздушная смесь Воздух
Метан (CR,) 0,5 0
Диоксид углерода (ССЪ) 0,7 0,04
Азот (N2) 71,3 78,1
Аргон (Аг) 1,8 0,9
Примечание. Анализ был выполнен в аккредитованной испытательной лаборатории ФГУП «РНЦ «Прикладная химия» на газовом хромато-масс-спектрометре GC HP 5890 - MSD HP 5972А.
В регламент комплексного мониторинга были включены микробиологические исследования рудного тела, поскольку работы, проведенные еще в 2004-2006 гг., дали возможность убедиться в том, что в богатых железных рудах зафиксирован активно действующий и богатый биоценоз.
В период 2008-2009 гг. из-за простаивания рудника электроэнергия экономилась за счет снижения подачи воздуха в горные выработки, что вызвало повышение влажности и температуры, а также формирование застойного аэродинамического режима. При таких условиях в процессе мониторинга было отмечено повышение численности и активности деятельности микроорганизмов, что сопровождается выделением слизи на
- 83
Санкт-Петербург. 2011
стенках выработок и в водопроявлениях, при этом увеличилась численность теплолюбивых микроорганизмов.
В результате микологического анализа образцов было определено 28 видов микро-мицетов, а в предыдущих исследованиях количество выявленных видов не превышало 20. Почти все зафиксированные виды мик-ромицетов известны как активные биодеструкторы различных материалов. Микроми-цеты образуют с бактериями агрессивные микробные сообщества, которые вызывают коррозию металлических конструкций и полное разрушение древесины. Доминирующим по числу видов оказался род Pénicillium - 10 видов, а также и высокое разнообразие в пробах микромицетов из рода Aspergillus. Представители этого рода хорошо известны своей приуроченностью к повышенным температурам и потенциальной опасностью для людей. В работах 2004 г. при проведении исследований микробной деятельности в подземных выработках Яковлевско-го рудника была выделена группа микроорганизмов, которые в аэробных условиях способны разлагать целлюлозу, что следует учитывать при использовании деревянных конструкций в подземных выработках. Еще ранее было сделано предупреждение о том, что поступление дополнительного питательного и энергетического субстрата при загрязнении рудной толщи углеводородами (дизельным топливом, соляровым маслом) будет способствовать активизации микробной деятельности [3]. На горизонте -370 м на стенках ПОСО, где используются горючесмазочные материалы, обнаружены гифы высшего базидиального гриба, которые образуют разветвленные тяжи (ризоформы). Высокая плотность и прочность таких тяжей обеспечивается за счет выделения склеивающего вещества полимерной природы, что требует специальных исследований.
Кроме того, в 2010 г. впервые зафиксировано присутствие в горных выработках плодовых тел базидиальных грибов из рода Pleurotus. Большинство выявленных видов относится к несовершенным грибам и развиваются на дереве, используемом для забутовки при креплении горных выработок.
На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы.
1. Выполненный гидрохимический мониторинг показал, что расширение фронта очистных работ в совокупности с недозак-ладкой выработанного пространства и увеличением пролетов горных выработок приводит к существенной активизации процесса перетекания подземных вод из неосушенно-го нижнекаменноугольного водоносного горизонта. Даже при относительно малых объемах добычи железных руд наблюдается постепенное увеличение размеров зон перетекания из вышележащего горизонта. Водо-проявления особенно опасны на горизонте -370 м.
2. Для интенсификации процесса снижения напоров в нижнекаменноугольном водоносном горизонте можно рекомендовать проходку двух несовершенных скважин на этот горизонт. Скважины должны располагаться по границам рудного тела в створе с скв.806, которая определяет вкупе со скв.638 и 610 положение зоны с высокой водопроводимостью. Учитывая высокое качество подземных вод скв.806, можно их использовать для питьевого водоснабжения.
3. Необходимо реализовать исследования по воздействию не только микробиоты, но и грибных культур на динамику разрушения металлических крепей за счет процессов развития метаболитических процессов, особенно в условиях постоянного увлажнения руд и пород в процессе перетекания вод из неосушенного горизонта. Следует отметить, что из нижней части толщи переслаивания известняков с углистыми глинами и углями возможно при перетекании поступление анаэробной микробиоты в рудную толщу.
4. При расширении фронта очистных работ следует сократить период наблюдений за изменением химического состава дренируемых вод и других водопроявлений до трех месяцев, с целью оперативного назначения мероприятий по предупреждению вторичного увлажнения руд и формирования сосредоточенного (струйного) 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. Т. 168. СПб, 2006. С.149-158.
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. Т. 168. СПб, 2006. С.142-148.
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. Т.168. СПб, 2006. С.165-174.
REFERENCES
1. Cusev V.N, Dashko R£, Petrov N.S. Main principle of the development organization hidrogeomecanical monitoring in underground developments of Jakovlevsky mine // Notes of a college of mines. V.168. Saint Petersburg, 2006. P. 149-158.
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 // Notes of a college of mines. V.168. Saint Petersburg, 2006. P. 142-148.
\. Dashko R.E, Volkova A.V., VlasovDJ. Microbic activity in underground developments and its influence on properties of rich iron ores and constructional materials // Notes of a college of mines. V.168. Saint Petersburg, 2006. P. 165-174.
