CC BY
37
УДК 556.3-622.847: (470.54)
С.Н. Елохнна
НЕКОТОРЫЕ МОМЕНТЫ МЕТОДИКИ ПРОГНОЗА ИЗЛИВА ШАХТНЫХ ВОД НА ПОВЕРХНОСТЬ ЗЕМЛИ ПРИ САМОЗАТОПЛЕНИИ ШАХТНЫХ ПОЛЕЙ
Процесс закрытия отработанных и нерентабельных горнодобывающих предприятий путем самозатопления шахт и карьеров сопровождается активизацией опасных природно-техиогенных процессов, таких, как провалы поверхности земли, загрязнение подземных и поверхностных вол. подтопление селитебных территорий, излив загрязненных шахтных вод на поверхность земли и другие процессы и явления [2, 4].
В обозначенном ряду выход шахтных вод на поверхность земли занимает особое место, поскольку визуально очевиден, плохо прогнозируем и нссст целый комплекс экологических и. иногда, технических проблем. При этом излив шахтных вод может происходить либо через устья шахтных стволов, либо из карьерных выемок и провалов, если они имеют прямую гилравличеекчю связь с затопленными горными выработками [5. 6].
При описании процесса выхода шахтных вод на поверхность земли на территории затопленных шахтных полей, в первую очередь, возникает вопрос: что это за вода? Можно ли сё называть "шахтной" или это подземная водг.?
Согласно [1], "вода шахтная - это подземная (иногда поверхностная) вода, проникающая в горные выработки на угольных месторождениях и оказывающая определенное влияние па условия вскрытия и эксплуатации месторождетш полезных ископаемых. При разработке рудных месторождений подземные воды называют рудничными".
Принимая предложенное определение и учитывая, что самозатопленню подвергаются не только отработанные, но и поставленные на консервацию шахгные поля, могу щие в перспективе снова отрабатываться, изливающиеся на поверхность земли волы есть не что иное, как воли шахтные. При гидродинамических прогнозах вид отрабатываемого полезного ископаемого не имеет принципиального значения, поэтому понятия "шахтная" и '"рудничная" вода в данном случае используются как синонимы.
Собственно процесс затопления подземных горных выработок в условиях горноскладчатых регионов может быть разбит на два хронологических этапа, разделенных по источникам формирования водопритоков отметками поверхности дренирозання (рис. 1). Горные выработка расположенные ниже поверхности дренирования (зона А), заполняются водой пропорниональн: объему дренажного водоотлива. Здесь работают все источники формирования, которые были достигнуты в результате длительных лренажных мероприятий: естественные динамические, искусственные и привлекаемые ресурсы, в том числе транзитный поверхностный сток- Скорост* затопления горных выработок на первом этапе может быть легко рассчитана исходя иг эксплуатационного модуля дренажного водоотлива.
В зоне Б отдельные составляющие водопритока исключаются, в частности поглощение речного транзитного стока. Объем поступления подземных вол к горным выработкам начинает сокращаться, скорость затопления снижается [3]. Предельно низкая скорость подъема уровня • верхней части зоны II определяется исходя из величины модуля естественного подземного стока.
После полного затопления шахтного поля процесс поступления подземных вод к подземным горным выработкам может быть представлен следующим образом.
Взаимосвязанная система подземных горных выработок обладает существенно более высок:® относительно пород естественною сложения водопроводнмостыо. Водопроводяшие нодземныг горные выработки в массиве горных пород можно представить как своеобразную систему с "двойн:в пористостью". Горные выработки как высоководопроводяшие зоны дренируют блоки порс.3 естественного сложения, концентрируя в себе более плотные потоки волы и создавая избыточное давление на выходе этого потока (см. рис. 1).
На
.^--гН
1 \: \ V 1 1 1 . / *!
1 1 Г/ 1 -/ 1
3
4 -
5
6
7 .--
8
116
—' / I----у
'— 1 /
Рис. !. Гидродинамические схемы самозатопления шахтных полей: I - приводораздельный тип; II - придолинный тип: Па - шахтное поле; 116 - шахтное поле и карьерная выемка, где АН -избыточный напор; Л-Б - этапы затопления горных выработок.
Условные обозначения: 1-3 - уровень подземных вод: I - статический; 2 - динамический: 3 - восстановленный мри полном затоплении: 4 - поверхность дренирования: 5 - возможный излив шахтных вод: 6 - направление естественного потока подземных вод: 7 - поверхностный и подземный водоразделы: 8 - движение воды в г орных выработках
Под избыточным давлением Г ЛЯ) понимаете« разность абсолютных отметок уровня воды в шахтном стволе (Ив"). умвновиашемся после полного отопления подземных горных выработок и естественного статическою уровня (Н/):
д н=н:-н; (о
Превышение восстановленного уровня над статическим в шахтном стволе или карьере (см. рис I) обеспечивается дополншельными ресурсами подземных вод, которые привлекаются кучастк) выхода о результате увеличения области питания за счет горизонтальных подземных горных выработок (рис 2).
Рас. 2 Соотношение области ПИтАНИЯ ШАХТнОГО ствола при Наличии <1„) М ОТСУТСТВИЙ затопленных горизонтальных подземных горных выработок.
Условные обозначения I - шяхтныП ствоя. Г - границы естественной облает питании, 3 границы области питание после затопление шачтного поля; 4-5 - направление движении подземных коа 4 е естественных условиях; 5 после самозатоштсния
Величина избыточного напора зависит от дополнительного объем» води, поступающей к участку загрузки. за счет дренируюшс! о влияния подземных горных выработок:
«/<&'&.); (2 Ус= М ас * Рс.
Мае * !•'„.
где £3, и - расход потока подземных вод обеспеченный естественным пи гаи нем. поступающий | участку выхода шахтных иол. соответственно, и естественных и «трушенных горными выработкам» условиях; 1\ и /'„ - площадь области питания, соответственно, в естественных и нарушении горными выработками условиях; Мпе - модуль подземного стока данной территории
В балансовом отношении избыточный напор в шахтном стволе обеспечивается и боле низкими, чем естественные статические, отметками восстановленною уровня в пределах всег шахтного поля. Другими словами, подземные горные выработки действуют как саморегудируюшиПс подземный дренажный узел как н троцессе их штопления, гак и по достижению микснмалмюг заполнения водой всего шахтного попя.
Если избыточный напор достаточен, то есть превосходит дренирующее влияние естественш. дрен, происходит выход шахтных вод на поверхность земли через устье шанното ствола и*
карьерной выемки, если последняя имеет прямую гидравлическую связь с горизонтальными подземными горными выработками. На излив "работает" вся подземная ёмкость затопленных горных выработок.
Таким образом, относительно высокие скорости движения подземных вод в системе затопленных подземных горных выработок формируют новые - техногенные, отличные от естественных, пути транзита и участки разгрузки подземных (шахтных) вод.
На рис. 1 предложены Гидродинамические схемы самозатопления шахтных полей для различных природно-техногенных систем. Под природно-техногенной системой понимается совокупность природных и техногенных условий территории.
Автором выделяется два типа природно-техногенных условий. Тип I - ирнводэраздельный, когда шахтное поле расположено на прнводораздельном склоне. В таких условиях дренирующее влияние реки (или другой естественной дрены) максимально, что выражается в высоких напорных градиентах естественного потока. Вероятность выхода шахтных вод на поверхность земли невелика. К такому типу относятся, например, затопленные Ломовский и Ново-Ежовский рудники [2,4].
Тип II - придолинный. В этом случае горные выработки располагаются вблизи крупных рек (например. Березовский золотодобывающий рудник). Уклоны естественного потока подземных вод на придолинных территориях невелики. Вероятность того, что избыточный напор н стволе или карьере будет достаточным, чтобы произошел излив шахтных вод на поверхность земли, достаточно велика.
По характеру отработки в пределах придолинного типа предлагается выделить два подтипа. Подтип На - отработка выполнялась исключительно подземных способом. Вероятен излив из шахтного ствола. Такие условия автор наблюдал при обследовании затопленного Гу.мешсвского рудника.
Подтип Мб - отработка выполнялась как подземным, так и открытым способами. Карьерные выемки имеют непосредственную гидравлическую связь с подземными горными выработками. Вероятен выход шахтных вод в дно карьера и последующий их излив на поверхность земли. Именно такой выход шахтных вод наблюдали специалисты Дсгтярского рудоуправлении, когда происходило затопление Деггярского рудника.
В общем, выход шахтных вод может происходить как через один, так и несколько каналов (шахтные стволы, карьеры, провалы), что будет определяться, во-первых, дебитом самоизлива. во-вторых. абсолютными отметками поверхности земли на устье выходного канала, в-третьих, пропускной способностью каналов. В первую очередь, излив произойдет в наиболее пониженных местах и через выводные каналы, обладающие меньшим сечением.
Выводы
1. При самозатоплении шахтных полей в ряде случаев происходит излив шахтных вод на поверхность земли.
2. Причина выхода шахтных вод заключается в создании избыточных гидродинамических напоров в системе взаимосвязанных подземных горных выработок, работающих по принципу "двойной" пористости.
3. Избыточные напоры обеспечиваются дополнительным питанием выводных каналов (шахтных стволов или карьеров), за счет их взаимодействия с горизонтальными подземными горными выработками, дренажирующими подземный сток. В результате на остальной площади шахтного поля отметки восстановленного после самозатопления уровня занимают более низкие отметки, чем естественные статические.
4. Вероятность выхода шахтных вод на поверхность зависит ог величины создаваемого в системе затопленных горных выработок избыточного напора и его соотношения с естественными уклонами подземного потока в точке вероятного излива.
5. Дебит излива зависит от соотношения области питания участков, к которым приурочены выводные каналы в естественных и нарушенных горной отработкой условиях.
6. В результате анализа условий и последствий самозатоплсния рудников нг территории Свердловской области автором были разработаны основные типовые гидродинамические схемы, позволяющие на качественном уровне достаточно просто определить вероятность и .место выхода шахтных вод на поверхность.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ Cl 1ИСОК
1. Геологический словарь. Том I. М.: Недра, 1978. 486 с.
2. Елохнна С.Н., Арзамасцев A.A., Дубейковский С.Г. Влияние горнодобывающей деятельности на гидрогеологические и инженерно-геологические условия селитебных территорий // Современные проблемы гидрогеологии и гидрогеомеханики : Сб. докл. конф. СПб.: Изд-во Санкт-Петербургского университета, 2002. С. 262-270.
3. Елохнна С.Н., Футорянский Л.Д. К методике прогноза скорости затопления подземных горных выработок // Известия УГГГА. Вып. ! 5. Серия: Геология и геофизика. 2002. С. 227-231.
4. Елохнна С.Н. Некоторые аспекты технопрнродных опасностей при ликвидации подземных горных выработок // Оценка и управление природными рисками. Т. 1. Мат-лы Всерос конф. "Риск-2003". М.: Изд-во Российского университета дружбы народов, 2003. С. 92-95.
5. Кочетков М.В., Кашковский Г.Н. и др. Эколого-геологические последствия массового затопления ликвидированных угольных шахт Восточного Донбасса // РазЕедка и охрана недр. 2001. Л'о 5. С. 33-38.
6. Норватов Ю.А., Петрова И.Б., Миронов A.C., Норватова О.И. Гидрогеологические проблемы ликвидации шахт в Восточном Донбассе // Современные проблем»« гидрогеологии и гидрогеомеханики: Сб. докл. конф. СПб.: Изд-во Санкт-Петербургского университета. 2002. С. 13~-141.
УДК 624.131.1
Э.И. Афанасиади, C.B. Горбова
ГЕОДИНАМИКА КАРБОНАТНОГО КАРСТА СУХОЛОЖСКО-БОГДАНОВИЧСКОГО РАЙОНА (ВОСТОЧНЫЙ СКЛОН УРАЛА)
Вопросы изучения геодинамики карбонатного карста на Восточном склоне Среднего Урала приобрели в наше время особую актуальность в связи с постоянно увеличивающейся техногенно* нагрузкой на территории, приводящей к активизации процесса и влекущей за собой угроз» нормальной эксплуатации инженерных сооружений, большого экономического и экологического ущерба.
Авторы считают невозможным рассмотрение геодинамики карега без подробного изучекш палеогеографических условии формирования карстующихся пород, выделения эпох карстования. а также современных тектонических и гидрогеологических условий, определяющих развитие карста и наши дни.
Рассматриваемый район находится в восточной части Свердловской области и представляет собой слабо всхолмленную и покатую равшяту с высотными отметками 160-180 м над уровнем мора (рис. 1). Район пересекается долиной реки Пышмы и ее притоками - реками Рефтом, Рудянш*. Знаменкой. Брусяной, Шатой и долиной р. Исети с притоками - р. Патрушихой, Каменкой. СинарсА. Багаряком. Речные долины характеризуются значительной врезанноегью, крутизной склона»», глубиной до 35-50 м при относительно небольшой ширине 250-500 м. По этой причине берегов* склоны названных рек дают прекрасные разрезы развитых здесь палеозойских и мезозойехж. образований, скрытых на большей части территории чехлом четвертичных отложений. Палсозойаж-отложения представлены вулканогенными породами совместно с морскими терригенным* ■ хемогенно-органогенными осадками, в том числе широко развиты рифовые постройки (3J.
Согласно геоморфологическому районированию Урала (Шуб. Сигов, 1963 г), исследугнв территория располагается в пределах двух геоморфологических районов - восточной час» отпрепарированного Зауральского пенеплена и ко»гтинснтально-морской цокольной равн?аь Западно-Сибирской низменности. Граница между районами проводится по западной окраине тх. Курьи (на севере), восточнее села Кашино, по восточной окраине г. Богдановича и ссла Троии.:«-*. восточнее Полдневского рудника. На отдельных участках она проходит по де нуд а ш': геотектоническому уступу, вероятно подновленному неотектоническими поднятиями.
