CC BY
56
УДК 622.257.1:622.273 А.А. Шубин
РЕШЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ НА ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНОЙ СТАДИИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ГОРНОГО ПРЕДПРИЯТИЯ
Семинар № 6
~¥_Г еловеческое общество использует природные ресурсы для удовлетворения своих потребностей прогрессирующими масштабами и темпами, оказывая этим негативное воздействие на окружающую среду. Негативные техногенные воздействия, которые охватили всю биосферу, особенно литосферу, проявляются в изменениях окружающей среды на всей планете и распространились на космическое пространство.
По своим размерам и интенсивности эти воздействия в начале XXI века стали сопоставимы с природными катаклизмами. Наибольшую тревогу вызывает сокращение биоты — основы существования всего живого на земле. Отмечено изменение климата, рост концентрации СО2, уменьшение содержания кислорода в воздухе.
На предприятиях накапливаются отходы. Отечественные горные отрасли промышленности накопили в отвалах вскрышных и вмещающих пород, шламо-хранилищах, других техногенных образованиях не менее 5 млрд м3 отходов. Их ежегодный прирост составляет около 1 млрд м3, а использование техногенных ресурсов, по разным оценкам, не превышает 10—12 % от названного объема.
Непрерывно нарастающее вторжение в недра земли, связанное преимущественно с извлечением полезных ископаемых, а также освоением подземных пространств, вызывает адекватную, а часто более мощную, и главное, трудно или вообще не-
предсказуемую реакцию недр на эти воздействия.
Техногенные воздействия на геологическую среду носят сложный комплексный характер, охватывая все ее компоненты (породы, рельеф, почвы, поверхностные и подземные воды, приповерхностную атмосферу, современные геологические процессы). Они имеют наступательную, прогрессирующую тенденцию развития, что обусловлено строительством и вводом в эксплуатацию новых рудников и перерабатывающих предприятий, а также неуклонно возрастающим изменением самой среды.
К техногенным мероприятиям, воздействующим на геологическую среду, относятся шахтная разработка, складирование на поверхности отходов обогащения руд, застройка территории. Как следствие этих мероприятий проис-ходят процессы сдвижения массивов горных пород на подрабатываемых участках, оседание и провалы поверхности, внезапные прорывы воды, активизация карста в соляной толще, засоление и изменение свойств грунтов, загрязнение поверхностных и подземных вод. Источниками загрязнения (засоления) являются промплощадки, отвалы, рассолосборники, шламохранилища, фонтанирующие скважины. Естественно, что основные изменения геологической среды, охватывающие значительные площади, должны учитываться при разработке природоохранных меро-приятий.
Данные об оседаниях поверхности базируются на многолетних инструмен-
тальных наблюдениях, выполненных по опорным профилям [1]. По данным [2], при первичной подработке одного пласта месторождения скорость оседания поверхности над ним составляет 2—10 мм/год, а при повторной подработке она возрастает до 20—30 и даже 100 мм/год. На Соликамском руднике суммарные оседания за 19 лет составили 558 мм. Согласно прогнозам, просадка поверхности в районах шахтных полей в конечную стадию не превысит 3—5 м. Однако при определенных горно-геологических условиях скорость просадки поверхности может возрастать до 1,5 м/год, а ее амплитуда достигать 3,5 м. Такие просадки представляют опасность для зданий и сооружений. При глубоком залегании грунтовых вод и интенсивном эрозионном расчленении поверхности плавные опускания со скоростями 5—10 мм/год не окажут существенного воздействия на природные условия. При неглубоком залегании грунтовых вод осадки на 1—2 м приведут к заболачиванию и подтоплению территории.
Сдвиги пород над выработками, раскрытие трещин, просадки и изменение гидрогеологических условий могут быть причиной катастрофических провальных явлений, а также внезапных прорывов воды из поверхностных водоемов в горные выработки. Эти прорывы, как правило, бывают обусловлены подработкой водоемов горными работами шахт, а также незаметными ранее трещинами и тектоническими нарушениями, соединяющими собой поверхностные водоемы с горными выработками шахт.
Нередко прорывы воды из поверхностных водоемов, ливневых и паводковых вод в горные выработки, затоплявшие шахты, сопровождались очень тяжелыми последствиями.
Каналом прорыва воды может послужить полость, возникшая в тампонажном заполнителе выработки или в породной толще над выработкой. Подобное явление, по-видимому, имело место при аварии, произошедшей 23 октября 2003 года. Как
сказано в «Заключении по безопасной отработке запасов шахты «Западная - Капитальная ...», под влиянием гидростатического давления в затопленных выработках по несветаевским пластам произошло повышение проницаемости массива на участке между порожняковой ветвью около-ствольного двора и главным стволом № 2. По образовавшемуся каналу под давлением около 1,2 МПа произошло поступление воды в ствол из затопленного пространства с нарастающим дебитом. Начальная стадия прорыва - образование канала поступления - длилось не более 10-15 минут; весьма быстро дебит достиг 2000030000 м3/ч. Для установившегося дебита площадь сечения в пересчете для изомет-ричного канала его поступления составляет около 0,25 м2, размеры сечения - около 0,5х0,5 м.
Частичное разрушение тампонажного заполнителя выработки могло быть связано с его разуплотнением и расслоением горного массива под влиянием разрушения заполнителя, затопления горных выработок и насыщения породного массива водой. Повышение гидростатического давления сопровождается разуплотнением глиноцементной закладки и горного массива, раскрытием существующих и образованием новых трещин, особенно вдоль наслоения.
Возникновение канала и последующего прорыва шахтных вод определяется гидродинамическими и геомеханическими факторами. Повышение гидростатического давления кроме разуплотнения пород сопровождается снижением сил трения и сцепления. Размыв закладки происходит вдоль ее контакта с трещиноватым массивом в кровле выработки. Этот массив был затампонирован, но под влиянием высоких гидростатических и гидродинамических давлений его проницаемость повышалась, о чем свидетельствовали водопри-токи в ствол, зафиксированные в интервале выше затампонированной выработки.
Закладка выработки, сопряженной со стволом, глиноцементным материалам в
условиях ограниченных гидростатических давлений обеспечило временную гидроизоляцию крепи ствола. Однако при затоплении несветаевских пластов гидростатическое давление на тампонажную закладку достигло 12 атмосфер, что сопровождалось увеличение водопритока в ствол. Повышение давления способствовало деградации глиноцементной закладки, постепенному ее размыву и в конечном итоге ее разрушению. Ускорило разрушение сопряжения обрушение зависшей кровли выработанного пространства, вызвавшее подобие гидравлического удара, приведшего к разрушению глиноцементной закладки и расширению образовавшегося прорана, чем и объяснялось активное нарастание катастрофического водопритока в шахту.
Прорывы воды в горные выработки из трещиноватых и карстовых скальных водоносных пород вследствие значительных водопроводящих каналов (трещин и карстовых полостей) характеризуются часто большими притоками воды, доходящими до тысячи м3/ч и более, и почти полным отсутствием или незначительным выносом размытых горных пород.
В ночь с 23 на 24 июля 1986 г. произошло обрушение горных пород и взрыв газа со световым эффектом в районе в районе г. Березники [3]. На месте скважины образовался провал в плане 40х80 м. Провал возник в толще пород мощностью более 400 м, что практически исключало вскрытие полости. Обломки породы с поперечником до 70 см выброшены взрывом на расстояние до 600 м. Провальная впадина заполнилась водой. Развитие ее проявляется в оплывании и оползании 20— 25-метровой супесчано-суглинис-той
флювиогляциальной толщи, залегающей на уфимских породах. В настоящее время в разрезе провала выделяются 2 части: верхняя с оползневыми склонами (20— 40°) и нижняя с обрывистыми вертикальными бортами в уфимской толще глубиной (до воды) около 25 м. В одном из бортов провала отмечено нарушение с разры-
вом, смещением и дроблением пластов, прослеживающееся также в противоположном борту.
Предпосылкой провала явилась отработка калийного пласта методом податливых целиков. При такой отработке ширина выработанных камер больше, нежели целиков между ними, что ведет к раздавливанию последних, деформациям кровли и возникновению в ней трещин, проникающих вверх на десятки метров. При пересечении их с уже существовавшим нарушением создались условия для проникновения в камеры рассолов, экранирующих соляную залежь. Формирование вертикальных каналов, усиление фильтрации, образование депрессионной впадины в рассольном горизонте привело к притоку по нарушению пресных агрессивных вод верхних горизонтов. Их воздействие обусловило прогрессивный рост полости растворения в соляной и покрывающей ее соляно-мергельной толщах, которая при достижении критических размеров вызвала обрушение.
Наиболее опасны по своим последствиям прорывы в горные выработки песков плывунного характера и плывунов, которые происходят или на контакте их с плотными и крепкими породами, или при недостаточной мощности плотных пород.
Во всех случаях самыми опасными по своим последствиям являются прорывы воды в горные выработки, при которых происходит размывание и разрушение пород вокруг горных выработок, что почти всегда влечет за собой их деформацию и разрушение [4].
Давление воды при внезапных прорывах в горные выработки из подземных водоносных горизонтов колеблется в довольно широких пределах — от безнапорных и в несколько атмосфер до нескольких десятков атмосфер. Это зависит от мощности и глубины залегания выработок от поверхности земли, гидравлической связи с другими вышележащими или нижележащими водонос-
ными горизонтами, а также поверхностными водоемами.
Развитие карстовых процессов в отвалах. В отвалах, характеризующихся неоднородностью, хорошей водопроницаемостью и растворимостью материала, формируются гидродинамические зоны, аналогичные зонам карстовых массивов: поверхностная, нисходящего вертикального (аэрации) и горизонтального движения воды. Источниками обводнения отвалов являются влага, отжатая из свежеотсы-панных отходов, содержащих 8—9 % воды; атмосферные осадки (500—600 мм/год), а также конденсационная влага. Влага в отвалах находится в виде рассолов (100—350 г/л). Рассолы, отжатые вблизи фронта свежей отсыпки, имеют локальное распространение. Основная масса рассолов образуется из атмосферных осадков.
Большую часть вертикального разреза отвалов занимает зона аэрации. Она характеризуется высокой водопроницаемостью, особенно в верхней закарстованной части. Здесь выделяется две подзоны: вертикального перемещения растворенных веществ и нерастворимых включений мощностью 2—7 м и аккумуляции (вмы-вания) нерастворимого материала в виде маломощного, обогащенного глиной пласта. Пласт является относительным водо-упором, по которому вода стекает к подножью склона. В присклоновых частях отвалов пласт наклонен в соответствии с откосом. На глубине 1—5 см от поверхности отвалов в результате испарения влаги образуется плотная соляная корка толщиной до 1 см.
В нижней части отвалов располагается рассолонасыщенная зона. Рассолы движутся к периферии отвалов и разгружаются в виде источников у их подножья, а также путем фильтрации в отложения, залегающие в основании отвалов. Дебит источников изменяется от 0,1 до 5,0 л/с и более. Скорость фильтрации рассолов в подстилающие отложения определяется водопроницаемостью последних, наличием или отсутствием искусственного экра-
на, рельефом ложа. В отдельных случаях она может достигать миллиметров за сутки. По приблизительным подсчетам, за год из соле-отвала выносятся в растворенном состоянии сотни тысяч тонн солей. В местах выхода источников отлагаются туфовые плотины, а в полостях — натечные соляные агрегаты.
В отвалах формируются поверхностные и подземные карстовые формы [3]. Поверхностные формы связаны в основном с движением воды по поверхности и в зоне аэрации. Формы представлены отрицательными (трубчатые образования, рвы, воронкообразные углубления, ложбины) и положительными (выступы, останцы) разновидностями. Останцы генетически связаны с останками конвейерных транспортных линий (куски металла, резины, шифера), которые изолируют участки на поверхности отвалов от воздействия осадков. За десятилетие поверхность отвалов снижается на 20—50 мм/год.
Подземные формы отвалов практически не изучены. Анализ скорости процессов растворения свидетельствует о том, что внутри отвалов должны формироваться значительные по размерам пустоты. В настоящее время обследованы лишь небольшие пещеры по периферии отвалов, в местах выхода на поверхность карстовых источников. Пещеры представляют собой каналы, образующиеся путем растворения и эрозионного действия подземных потоков. Длина одной из обследованных пещер около 30 м. Подземный ручей фиксируется на поверхности провальными воронками, коррозионными окнами. Стенки и своды подобных пещер очень неустойчивы, поэтому они быстро эволюционируют, преобразуясь по мере последовательного вскрытия сводов в карстово-эрозионные рвы. В случае формирования подземным ручьем нового русла они превращаются в водосборники и русла периодического стока.
Интенсивное растворение материала отвалов и вынос солей приводит к появлению оконтуривающих их зон засоления,
вытянутых по направлению движения рассольных вод. По мере закарстования процесс выноса солей из отвалов усиливается. В понижениях, прилегающих к подножью отвалов, образуются озера с соленой водой, в которых происходит садка солей. Соляные озера вместе с питающими их ручьями также являются источниками загрязнения грунтовых вод территорий, прилегающих к отвалам.
Активизация карста в соляной толще. В результате эксплуатации рудника № 2 Стебницкого ГГХП «Полиминерал» образовано более 15 млн. м3 подземных пустот. Для защиты от притока воды в горные выработки над ними был оставлен целик мощностью 50-60 м. Однако с начала 80-х годов произошел прорыв воды в камеры, началось активное растворение соляных пород на контакте с глинисто-гипсовой шляпой, образование карстовых полостей и неравномерное оседание поверхности над ними. Площадь инфильтрации поверхностных вод постоянно увеличивается, как и увеличивается подземный водо-приток (1000 м3/сут), что приводит к ускорению карстообразования. В настоящее время на поверхности над рудником № 2 обнаружено более 20 карстовых воронок, выявлено около сотни зон разуплотнения, объем карстовых пустот составляет около 700 тыс. м3. Ежедневный прирост карстовых пустот доходит до 3-4 тыс. м3. Таким образом, над рудником № 2 сложилась весьма опасная геодинамическая и гидрогеологическая ситуация, которая представляет серьезную экологическую опасность прилегающим городам и селам, строениям и дорогам.
На площади Верхнекамского месторождения калийных солей выщелачивание солей отмечается при проходке и эксплуатации шахтных стволов и скважин, в зонах влияния старых рассольных скважин, районах групповых водозаборов, в отработанных горных выработках [5]. При проходке и эксплуатации всех шахтных стволов, несмотря на изоляцию контакта водосодержащих и соляных пород отмечались
водопроявления. Объемы отдельных карстовых полостей в покровной каменной соли и карналлитовой породе достигали нескольких сотен кубометров. Наличие в зоне обводненного контакта трещин, а в некоторых случаях карстовых полостей, является причиной притока воды в шахтные стволы.
На рассматриваемой территории функционировало почти полтора десятка крупных пунктов рассолодобычи, которые насчитывали более 200 скважин. Ряд скважин фонтанирует, что способствует выносу солей и образованию карстовых полостей. В выработанном пространстве происходит как растворение соли конденсационными водами, так и отложение из перенасыщенных растворов соляных сталактитов и натечных корок.
Таким образом, техногенные воздействия на геологическую среду в ряде регионов носят прогрессирующий характер и включают ряд взаимосвязанных явлений. Полный цикл исследований влияния должен включать учет интегрального воздействия промышленного комплекса на окружающую среду.
В первую очередь необходимо выявить элементы геологической среды, подвергающиеся воздействию горнодобывающего предприятия и дать оценку их изменений. С этой целью составляются карты типологического районирования на поверхностную зону (до первого регионального водоупора) и на всю мощность зоны инженерного воздействия (глубину заложения горных выработок). Первый этап работ завершается составлением одной или нескольких прогнозных карт изменения инженерно-геологических и гидрогеологических условий в зоне воздействия горнодобывающих предприятий. Второй этап включает разработку на основе прогнозных карт конкретных рекомендаций для снижения отрицательного воздействия на среду горнодобывающих предприятий или промышленных комплексов.
1. Тетерин А.В. Обоснование параметров сдвижения земной поверхности при ее многократной подработке в условиях подземной разработки угольных пластов / Дисс. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук. - Шахты, 2004. -170 с.
2. Шадрин А. Г., Аникин Н. Ф. Основные результаты наблюдений за оседанием поверхности на Верхнекамском месторождении калийных солей, расчетные схемы для этих условий // Межвуз. темат. сб. научн. тр. / Разработка соляных месторождений. Пермь, 1974.
3. Андрейчук В. Н., Лукин В. С. Большой Березниковский провал // Проблемы изучения техногенного карста/Тез, докл. Кунгур, 1988.
4. Калмыков Е.П. Борьба с внезапными прорывами воды в горные выработки.- М.: Недра, 1973.- 240 с.
5. Бельтюков Г. В. Техногенный карст в условиях Верхнекамского соленосного бассей-на//Проблемы изучения техногенного карста / Тез, докл. Кунгур, 1988.
— Коротко об авторах ------------------------------------------------------------
Шубин А.А. - кандидат технических наук, доцент, Шахтинский институт Южно-Российского государственного технического университета (НПИ).
------------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
ЩЕРБАКОВА Елена Павловна Г еолого-экологическое обеспечение природоохранных технологий освоения техногенных массивов 25.00.16 д.т.н.
БЕРЛИЗЕВ Михаил Николаевич Экономическое обоснование ставок регулярных платежей за право пользования недрами в угольной отрасли 08.00.05 к.э.н.
