Оценка многолетнемерзлых пород при подземном захоронении высокоминерализованных вод Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

выработанным пространством с появлением депрессий рельефа, дегратации почв, нарушениями целостности зданий и сооружений, формированием переувлажненных участков в понижениях рельефа.

Затопление подземных выработанных пространств привело к изменению напряженного состояния горного массива, что выражается в активизации сейсмических явлений. Сейсмические наблюдения в г. Шахты регистрировали техногенные землетрясения силой до 3-4 баллов по шкале Рихтера.

Закрытие угольных шахт ведет к уменьшению выбросов загрязняющих веществ в атмосферу в результате числа действующих промышленных котельных, погрузочнотранспортных процессов на шахтах и обогатительных фабриках, систем выведения шахтного воздуха из выработанного пространства при проветривании шахт, однако активтзарует другие источники загрязнения атмосферы.

По государственной статистической отчет-

ности 2ТП - воздух (количество выбрасываемых в атмосферу загрязняющих веществ за год) за 2003 г. породными отвалами, находящимися на балансе ликвидируемой комиссии ОАО «Ростовуголь», было выброшено в атмосферу 106,4 т твердых частиц и 250,3 т газообразных веществ, в том числе: диоксида серы -21,6 т, оксида углерода 215,7 т, оксида азота -2,2 т и сероводорода - 10,8 т.

В зонах влияния закрывающихся угольных шахт почвенно-растительный слой загрязнялся в течение десятков лет их отработки. В районах промплощадок шахт отмечается сверхнормативное содержание свинца, меди, цинка, марганца, хрома и других металлов.

С целью своевременного выявления, оценки, прогноза и планирования мероприятий по предотвращению и ликвидации негативных экологических последствий массового закрытия шахт создан Центр социальноэкологического мониторинга Восточного Донбасса, расположенный в г. Шахты.

— Коротко об авторах -----------------------------------------------------

Кураков Ю.И., Кухтин В.Н., Суворов В.Г. — Московский государственный горный университет.

--------------------------------------- © М.В. Тарасова, 2004

УДК 622.8 М.В. Тарасова

ОЦЕНКА МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ПОРОД ПРИ ПОДЗЕМНОМ ЗАХОРОНЕНИИ ВЫСОКОМИНЕРАЛИЗОВАННЫХ ВОД

Семинар №7

~П настоящее время одним из способов -Я-М утилизации высокоминерализованных вод является захоронение их в толщах многолетнемерзлых горных пород на больших глубинах (Нейс, 1978; Борисов, Климов, 1988). Он широко реализован на кимберлитовых месторождениях Северо-Западной Якутии.

Как пойдет процесс растворения льда, перераспределения рассола в толщах многолетней мерзлоты, как это отразится на температурном поле пород неизвестно. В связи с этим сделана попытка не только оценить характер изменения температур, но и спрогнозировать направленность мерзлотного процесса.

По современным представлениям участки месторождений относятся к району с аномально большими мощностями криолитозоны. Работами сотрудников Института мерзлотоведения СО РАН, начиная с 60-х годов (Климов-ский, Устинова, 1962), получен обширный фактический материал о температурах горных пород по всей площади Далдыно-Алакитского района. Результаты наблюдений позволили оценить в целом морфологию криолитозоны, а также подтвердить ранее сделанные выводы (Теплофизические..., 1983) о чрезвычайно малых значениях теплового потока в центральной части Сибирской платформы. Полученные результаты еще раз подтвердили выводы первых исследователей о температурной анизотропии рудного тела и о сложном тепловом режиме горных пород.

В последние годы в связи с углублением горных работ встали проблемы с осушением и захоронением дренажных вод. Последние, имеют сложный гидрохимический состав, включающий компоненты, вредные для окружающей среды. По данным бурения мощность многолетнемерзлых пород, т.е. пород, сцементированных льдом, позволяет использовать их в качестве поглощающей системы для складирования рассолов. С точки зрения охраны окружающей среды такой способ является наиболее дешевым и технически перспективным. Однако использование его в толщах термодинамически неустойчивых многолетнемерзлых толщ из-за недостаточной изученности, взаимодействия рассолов с морозными и мерзлыми породами требует осторожного подхода к разработке технологических приемов захоронения рассолов, В связи с этим, при составлении программы защитно-экологических мероприятий необходимо ориентироваться и на решение задач прогноза изменения как мерзлотной, так и гидрогеологической ситуации.

Геотермические наблюдения показали, что в начальный период складирования высокоминерализованных вод происходит понижение температуры горного массива. Синхронно идут процессы растворения льда и газогидратов. Анализ эволюции теплового поля горных пород с учетом указанных процессов весьма сложен.

В результате геотермических наблюдений было установлено, что в центральной части рассолопринимающей системы захоронения высокоминерализованных вод образуется водонасыщенная зона в пределах 20-60 м, и мас-

сив многолетнемерзлых горных пород, вследствие взаимодействия с профильтровавшимися минерализованными водами, превращается в водоносный комплекс. При этом отмечено понижение температуры по сравнению с естественной на 1,3 °С. В благоприятных геологических условиях низкотемпературные рассолы благодаря естественной плотностной конвекции начинают опускаться по трещинам в породах вниз, способствуя глубокому охлаждению пород и развитию мощности криолитозоны. Глубокое охлаждение прямо влияет на образование в недрах соединений природных газов с водой - твердых кристаллогидратов газов. Формирование кристаллогидратов газов происходит с выделением, а разрушение их - с поглощением тепла, что несомненно меняет геотермические условия. В частности, B.C. Якушеву (1989) в своих экспериментах удалось смоделировать возможности возникновения га-зогидратных соединений в толщах мерзлых пород при наличии водо- и газонепроницаемых горизонтов в различных условиях при эпигенетическом промерзании. Для объяснения этого процесса необходимо оценивать и производить соответствующие теплобалансовые расчеты с учетом начальных температур рассолопоглощающих горных пород, закачиваемых дренажных вод и растворения ими цементирующего льда, а на участках "дующих" и газовыделяющих скважин дополнительно учитывать и возможность разложения газогидратов, образовавшихся при эпигенетическом промерзании.

Температура замерзания минерализованных вод зависит от концентрации растворенных солей, ее химической структуры, она всегда ниже, чем температура фазового перехода чистого льда в воду и устойчивого существования газогидрата. Растворение льда и гидрата происходит при фильтрации рассолов через свободные от льда и гидрата пространства — поры, трещины в горных породах. Оно сопровождается разрушением их кристаллической структуры. Лед, как никакое другое природное вещество, подвержен влиянию внешней среды и хорошо отражает испытанные воздействия. Однако, постоянно изменяясь за счет различных процессов, он все же оставляет в себе следы первичной кристаллизации.

Метаморфизм льда может быть обусловлен либо статическими напряжениями веса вышележащей толщи мерзлых грунтов или льда, либо напряжениями при температурном изменении. Эти явления приводят к росту кристаллов

льда. Однако в зависимости от величины и характера нагрузки величина кристаллов в ледяном теле может как увеличиваться, так и уменьшаться. Равномерное (гидростатическое) давление сопровождается стремлением кристаллического агрегата к монокристаллу. Если же нагрузки достаточно велики, чтобы вызвать пластические деформации и течение льда, то при малых скоростях течения будет происходить рост одних, благоприятно ориентированных по отношению к направлению движения кристаллов, за счет деградации других. При больших скоростях течения наступит стадия дробления кристаллов в зонах подвижек до полного их разрушения.

При этом происходит поглощение тепла, что и приводит к понижению температуры. Для оценки величины понижения температуры горной породы можно использовать методику расчета и несколько видоизмененное уравнение, предложенное В.А. Михайловым (1985): т = т„, [Лс10 - т) + Р2с2т°2 + Ръсътаъ] +

ЛС1 0 - т ) + р5°5т (^2-5 + ^3-5 ) + ЛС4т 0 ~&2 ~ &3 )

+ ТрР4С4 0 -02 -°3 ) ~ к2р2т°2 - КРзт°3

р1С1 0 - т ) + р5С5т (^2-5 + ^3-5 ) + р4С4т I1 ~ °2 ~ °3 )

где сг2 - льдонасыщенность; сг3 - гидратонасы-щенность; т - пористость; р - плотность; с -теплоемкость; к - удельная теплота фазового перехода; Т - температура горной породы после полного растворения льда и гидрата рассолом; Тпл - начальная температура горной породы с льдом и гидратом; Тр - температура фильтровавшегося рассола; (индексы 1 = 1, 2, 3, 4, 5 соответственно относятся к твердой фазе горной породы, льду, гидрату, рассолу, воде; 1 = 2-5, 3-5 - воде, которая получается после разложения льда и гидрата; ^ ^ Рг_;

2-5 °2

А

а =о-(1 ';£ = м(ш + м); М - моле-

3-5 3 Р5

кулярный вес газа гидратообразователя; N -молекулярный вес воды; Ь - постоянная, зависящая от состава гидрата, равная числу молекул воды, связанных в гидрате с одной молекулой газа.

Поскольку растворение льда и гидрата происходит одновременно, величина пониже-

ние. 1. Профиль температуры, полученный различными математическими моделями: 1 - тепловлагосо-леперенос; 2 - тепловлагоперенос; 3 - теплоперенос;4 -граница растворения льда

ния температуры увеличивается. Такое положение получается только при допущении, что лед и гидрат полностью растворяются рассолом.

Таким образом, полученная формула по соотношению составляющих теплового баланса с учетом растворения льда и гидрата рассолом дает возможность, с одной стороны, оценить величину понижения температуры при данных величинах льдо- и гидратонасыщенности, с другой - по температурным изменениям в наблюдательных и эксплуатационных скважинах определить их количественные величины, т.е. дает возможность понять физическую сущность процесса понижения температуры горных пород в результате захоронения в них высокоминерализованных дренажных вод.

На рисунке приведено распределение температуры, полученной математическими моделями тепловлагосолепереноса, тепловлагопе-реноса и решением обычной температурной задачи в постановке Стефана. Заметного расхождения температурного поля не наблюдается, однако процесс деградации льда при учете влагосолепереноса усиливается. В данном случае под деградацией мерзлоты понимается процесс разложения льда при отрицательной температуре (по шкале Цельсия) под воздействием высокоминерализованных рассолов. Кривые наглядно показывают, что процессы деградации идут более интенсивно при совместном тепловлагопереносе.

Однако достаточно достоверную количественную оценку этого сложного процесса можно получить лишь при более корректном использовании массообменных характеристик горных пород с учетом их талого, морозного и мерзлого состояния. При этом особо следует уделить внимание получению значений гидродинамических параметров (коэффициент диффузии и др.), определение которых в достаточно прочных породах крайне затруднено.

В данной работе приведена оценка криоли-

771Г

тозы и обоснование возможности размещения коминерализованных вод. в льдистых многолетнемерзлых породах высо-

— Коротко об авторах -------------------------------

Тарасова М.В. — Московский государственный горный университет.

---------------------------------------------- © И.В. Головко, 2004

УДК 622.8 И.В. Головко

ПРОБЛЕМЫ ВЛИЯНИЯ НА ПРИРОДНУЮ СРЕДУ МАССОВОГО ЗАТОПЛЕНИЯ УГОЛЬНЫХ ШАХТ

Семинар №7

¥ ¥ ачатое в середине 1990-х гг. массовое

-1-1 закрытие нерентабельных и особо убыточных шахт, проводимое в рамках реструктуризации угольной промышленности, имело весьма слабую нормативную базу и технические требования по многим видам ликвидационных работ. Для решения экологических проблем на конкретных предприятиях нормативной базы практически не существовало.

Многие проекты ликвидации шахт практически не содержали в себе необходимых наблюдений. Так, в 1999 г. на 40 % ликвидированных шахт не производился даже газовый контроль в местах его выхода на поверхность, зачастую вообще не проводились работы по рекультивации нарушенных земель.

В условиях перехода отрасли к рыночным отношениям, передачи угольных предприятий и компаний в частные руки, проявляется тенденция получения прибыли за счет экологически несбалансированной эксплуатации природных ресурсов, экономия на природоохранных мероприятиях. Преградой этому должны быть экономические механизмы, которые на сегодняшний день недостаточно разработаны, а размер предъявляемых предприятиям отрасли платежей и штрафов не отражает полной величины экономического ущерба, причиняемого природной среде и человеку и значительно ни-

же затрат на реализацию природоохранных мероприятий. А по последним данным стоимость работ по ликвидации последствий вредного влияния на природную среду в период реструктуризации угольной промышленности составляет почти 50 % от всех средств, предусмотренных проектами ликвидации предприятий.

Программа реструктуризации угольной промышленности наряду с закрытием особо убыточных шахт, имела своей целью и улучшение экологической обстановки в угледобывающих районах. Многие ученые и специалисты считали, что после затопления шахт в течение 2-3 лет образуется первозданный гидрогеологический режим, произойдет качественное улучшение шахтных вод, которые могут быть использованы даже для питьевых целей; прекратится процесс сдвижения горных пород, оседания и деформации земной поверхности.

Однако, масштабная ликвидация шахт “мокрым” способом, т.е. полным затоплением, привело к развитию столь значительных негативных экологических явлений, что существует опасность крупномасштабных изменений природной среды. Ликвидация шахт сопровождается возникновением новых, не до конца изученных в настоящее время явлений и процессов, которых не было при эксплуатации