авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 8 |
-- [ Страница 1 ] --

Министерство образования и наук

и Российское Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Уральский

государственный горный университет»

на правах рукописи

ЕЛОХИНА Светлана Николаевна

ТЕХНОГЕНЕЗ ЗАТОПЛЕННЫХ РУДНИКОВ УРАЛА

Специальность 25.00.36 – «Геоэкология» (науки о Земле)

Диссертация на соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук

Научный консультант - доктор геолого-минералогических наук, профессор Грязнов Олег Николаевич Екатеринбург - 2014 2 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ТЕХНОГЕНЕЗА ЗАТО ПЛЕННЫХ РУДНИКОВ УРАЛА 1.1. Техногенные процессы и понятие «техногенез» 1.2. Изученность техногенеза постэксплуатационной стадии 1.3. Эволюция природно-техногенных литогенетических систем 1.4. Техногенез подземной гидросферы 1.4.1. Подземная водоносная система или гидрогеологическая структура 1.4.2. Виды техногенного воздействия на подземную гидросферу Выводы по главе 1 ГЛАВА 2. ПРИРОДНЫЕ УСЛОВИЯ УРАЛЬСКОГО СКЛАДЧА ТОГО ПОЯСА И ОБЪЕКТОВ ГОРНОРУДНОГО ТЕХНОГЕНЕЗА 2.1. Климатические условия территории 2.2. Гидрографическая сеть Урала 2.3. Геоморфологические особенности Уральского складчатого пояса 2.4. Геологическое строение и металлогения Урала 2.5. Гидрогеологические условия Уральского региона 2.6. Инженерно-геологические условия Уральского складчатого пояса 2.7. Объекты горнорудного техногенеза на территории Урала 2.7.1. Меднорудные месторождения Урала 2.7.2. Золоторудные месторождения Урала 2.7.3. Железорудные месторождения Урала Выводы по главе 2 ГЛАВА 3. ГОРНОРУДНЫЙ ТЕХНОГЕНЕЗ ПОСТЭКСПЛУАТА ЦИОННОЙ СТАДИИ НА ТЕРРИТОРИИ УРАЛА 3.1. Результаты обследования остановленных и затопленных рудников Урала 3.2. Природно-техногенные геологические процессы пассивной стадии техногенеза 3.3. Горнорудный цикл техногенеза Выводы по главе 3 ГЛАВА 4. ПОДЗЕМНЫЕ ВОДОНОСНЫЕ СИСТЕМЫ В УСЛО ВИЯХ ТЕХНОГЕНЕЗА ГОРНОРУДНОГО ПРОФИЛЯ 4.1. Техногенный водоносный горизонт и его типы 4.2. Природно-техногенные подземные водоносные системы горноруд ного профиля 4.3. Гидродинамические аспекты формирования природно-техногенных ПВС 4.3.1. Самозатопление шахтных полей 4.3.2. Формирование излива шахтных вод на поверхность земли 4.4. Техногенное преобразование ПВС на Дегтярском месторождении Выводы по главе 4 ГЛАВА 5. ГИДРОХИМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПАССИВНОЙ СТАДИИ ГОРНОРУДНОГО ТЕХНОГЕНЕЗА НА УРАЛЕ 5.1. Эмпирические данные о химическом составе рудничных вод пас сивной стадии 5.

1.1. Колчеданные рудники Урала 5.1.2. Гумешевское месторождение меди 5.1.3. Золоторудные месторождения Урала 5.2. Гидрогеохимические процессы пассивной стадии горнорудного техногенеза (предпосылки) 5.2.1. Сернокислотное выщелачивание 5.2.2. Вторичное минералообразование, растворение и смешение 5.3. Анализ экспериментальных данных по геохимии рудничных во природно-техногенных ПВС Выводы по главе 5 ГЛАВА 6. ТЕХНОПРИРОДНЫЕ ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ОПАСНО СТИ НА ТЕРРИТОРИИ ЗАТОПЛЕННЫХ РУДНИКОВ УРАЛА, ИХ ПРОГНОЗИРОВАНИЕ И МОНИТОРИНГ 6.1. Группировка техноприродных геологических опасностей на терри тории затопленных рудников Урала 6.2. Прогнозирование техноприродных геологических опасностей 6.2.1. Зонирование территории по техноприродной геологической опасно сти как метод их прогноза 6.2.2. Группы сложности гидрогеологических условий рудников на ста дии их «мокрой» ликвидации и консервации 6.3. Мониторинг территорий затопленных рудников Урала 6.4. Рекультивация территории затопленных рудников Урала Выводы по главе 6 ЗАКЛЮЧЕНИЕ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ВВЕДЕНИЕ Уральский складчатый пояс относится к старейшим горнодобывающим регионам не только России, но и мира, являясь одним из центров горно-металлургического произ водства с эпохи раннего металла [50]. Остановка и закрытие любого горного предпри ятия является неизбежным историческим фактом, после которого возникает необходи мость рекультивации и реабилитации нарушенных земель, гидросферы и массива гор ных пород. За продолжительную историю освоения уральских рудных месторождений, по данным Л.Н. Овчинникова (1998), отработано более 200 объектов. В результате гор ными работами нарушены участки недр разной площади от первых до сотен квадратных километров часто с крайне низким уровнем рекультивации. Ведущим способом послед него, как показали работы Уральской комплексной геолого-съемочной экспедиции [275], реализована «мокрая» консервация или ликвидация (МЛ) рудников.

В начале XX в. В.И. Вернадским было отмечено, что горнодобывающая деятель ность оказывает мощное преобразующее воздействие на ландшафты, литосферу и под земные воды. Для характеристики техногенных геохимических ландшафтов, возникших в результате горного производства, А.Е. Ферсманом предложен очень удачный термин «техногенез», впоследствии получивший широкое применение и развитие.

Массовая остановка и закрытие рудников на Урале, как и в других горнодобы вающих регионах России и СНГ, произошли в последней четверти XX в. и начале XXI в.

по причине низкой их текущей рентабельности в изменившихся социально экономических условиях. В первую очередь закрывались старые горнодобывающие предприятия на территории Среднего Урала, с длительной историей горно-добычных работ. Отличительной особенностью остановленных горных объектов указанного пе риода является масштаб горного техногенеза: большие глубины и огромные подрабо танные площади, часто сопряженные с селитебными зонами. На Урале это города Верх няя Пышма, Дегтярск, Кировград, Краснотуринск, Красноуральск, Копейск, Нижний Тагил, Полевской и другие на территории Свердловской и Челябинской областей и в Башкортостане. На очереди к затоплению стоят ещё работающие горнодобывающие предприятия в городах Березовский, Североуральск, Учалы и др. В результате проявле ния негативных геологических процессов на указанных территориях, особенно при на личии старых неглубокозалегающих подземных горных выработок, спровоцирована крайне напряженная экологическая, а иногда и социальная ситуация, что определяет ак туальность поставленной тематики работ.

В этот период геоэкологическими исследованиями на горных объектах Урала в связи с прогнозом их МЛ и после занимались И.В. Абатурова, А.А. Арзамасцев, Л.И.

Афанасиади, Г.Н. Беляев, С.М. Блинов, А.И. Вишняк, А.Я. Гаев, О.Н. Грязнов, О.М. Гу ман, С.Г. Дубейковский, С.Н. Елохина, А.И. Заболоцкий, О.В. Зотеев, К.К. Имайкин, А.К. Имайкин, В.Н. Катаев, А.Б. Макаров, В.П. Новиков, С.В. Палкин, С.С. Потапов, Ю.С. Рыбаков, Л.С. Рыбникова, Н.В. Савеня, А.И. Семячков, Л.С. Табаксблат, И.А. Чет веркин и др. В результате накоплен достаточный объем эмпирического материала, кото рый мотивировал автора к его обобщению и анализу (2001, 2004, 2007 и др.).

В настоящей работе впервые для условий Урала выполнены систематизация и анализ эмпирических данных по природно-техногенным геологическим процессам по стэксплуатационной стадии освоения рудных месторождений, их оценки и прогноза при «мокрой» ликвидации (консервации) остановленных рудников.

Общенаучная значимость выполненных исследований обоснована разработкой научно-методических основ оценки и прогнозирования опасных природно-техногенных геологических процессов постэксплуатационной стадии освоения рудных месторожде ний в условиях Уральского складчатого пояса в зависимости от техногенного преобра зования гидрогеологических структур и систем.

Установленные особенности техногенного преобразования подземной гидросфе ры горнодобывающего профиля позволяют решать ряд важных прикладных задач, та ких как, прогноз гидрогеоэкологических последствий остановки и «мокрой» ликвидации подземных рудников на Урале, зонирование техноприродных геологических опасностей на подработанном пространстве;

планирование рационального использования, рекуль тивации и мониторинга нарушенных земель и искусственных подземных пространств и т.д.

Основная идея работы – на пассивной стадии горнорудного техногенеза форми руется комплекс опасных природно-техногенных геологических процессов, генетически связанных с природно-техногенными подземными водоносными системами затоплен ных рудников Урала, характеризующихся специфической гидродинамической и геохи мической обстановкой, особенно при нестационарном режиме их функционирования.

Объектом исследований являются природно-техногенные гидрогеологические структуры и подземные водоносные системы горнорудного профиля в условиях Ураль ского складчатого пояса.

Предмет исследования: состояние изученности техногенеза на территории зато пленных рудников;

геологические процессы на территории затопленных рудников Ура ла;

гидрогеологические и гидрогеохимические аспекты техногенеза горнорудного про филя;

техноприродные геологические опасности на территории остановленных рудни ков Урала, их рекультивация и мониторинг.

Цель исследований – выявление закономерностей трансформации подземных водоносных систем, формирования природно-техногенных геологических процессов на постэксплуатационной стадии горнорудного техногенеза и разработка научно методических основ их гидрогеоэкологической оценки и прогноза на Урале.

Основные задачи исследований:

- обоснование комплекса природно-техногенных геологических процессов пас сивной стадии горнорудного техногенеза для условий Уральского складчатого пояса;

- разработка научно-методических основ выделения природно-техногенных гид рогеологических структур и подземных водоносных систем;

- теоретическое, экспериментальное и опытное исследования гидродинамических и гидрогеохимических условий на пассивной стадии горнорудного техногенеза на тер ритории Урала;

- исследование связи техноприродных геологических опасностей и природно техногенных подземных водоносных систем горнорудного профиля для условий Ураль ского складчатого пояса;

- систематизация направлений реабилитации и рекультивации подработанных территорий;

- разработка основных подходов к обоснованию системы мониторинга состояния недр на территории затопленных рудников Урала.

Фактическим материалом для диссертационной работы послужили результаты работ различной направленности, выполненные автором в Уральской гидрогеологиче ской экспедиции за период с 1986 по 2013 гг., а также научно-исследовательской дея тельности в Уральском государственном горном университете в 1998 - 2013 гг. В тече ние этого времени автором обследованы территории большинства рудников Урала как на стадии их работы, так и после её завершения. В результате подготовлены:

- экспертные заключения на «мокрую» ликвидацию Березовского, Дегтярского, Гумешевского и Крылатовского подземных рудников, выполнены циклы мониторинго вых наблюдений на них;

- проекты мониторинга состояния подземных вод на территории Пышминско Ключевского медно-кобальтового месторождения (г. Верхняя Пышма);

завода ППМ, включая затопленный Калатинский рудник (г. Кировград);

по Сибайскому и Каманган скому медным карьерам (Башкирия) и др.;

- отчеты по оценке состояния окружающей среды района г. Краснотурьинска (территория Турьинских медных рудников, шахта Северо-Песчанская, Ауэрбаховское рудное поле и др.), Гороблагодатского месторождения (г. Кушва) и др.;

- отчет по результатам геоэкологического мониторинга Уральского полигона аэ рокосмического мониторинга (г. Нижний Тагил: рудники Высокогорский, Естюнинский, Лебяжинский, III Интернационала и др.;

г. Кушва: Гороблагодатский и Валуевский руд ники;

г. Качканара: ГОК «Ванадий»;

г. Красноуральск: Красногвардейский, Леневский и др. рудники);

- отчеты по оценке запасов подземных вод ряда месторождений пресных подзем ных вод, в том числе, Ежовского МППВ (г. Кировград), находящегося в зоне влияния Ломовского и Ново-Ежовского затопленных рудников, Богомоловского месторождения (г. Красноуральск), приуроченного к шахтному полю затопленного рудника;

- отчет по обобщению опыта ликвидации (консервации) горных выработок и их влияния на подтопление застроенных территорий Свердловской области;

- мелкомасштабные карты экзогенных геологических процессов и подверженно сти населенных пунктов Уральского региона опасным инженерно-геологическим про цессам в составе всероссийского картографирования и целый ряд других работ.

С 2008 года и по настоящее время автор возглавляет государственный монито ринг состояния недр по Уральскому федеральному округу, в рамках которого выполня ется контроль за состоянием подземных вод и экзогенных геологических процессов в естественных условиях и под влиянием техногенного воздействия, в том числе, Дегтяр ского, Левихинского, Ломовского, Карпушихинского и др. рудников, заброшенных ко пий, шахт и карьеров на территории Режевского природно-минералогического заказни ка, старых шахт в г. Екатеринбурге и прочих горнорудных объектов.

Методы исследований.

В процессе выполнения исследований применялись: гидрогеологические, инже нерно-геологические, ландшафтно-геохимические съемки различных масштабов (от де тальных до мелкомасштабных);

комплекс стандартных полевых методов исследования (бурение, опытные откачки, каротажные исследования, геохимическое опробование дренажных, рудничных, подземных и поверхностных вод, донных отложений и др., гид рометрические работы, химико-аналитические исследования в аккредитованных лабора ториях по аттестованным методикам, морфометрический метод реконструкции зеркала подземных вод и др.);

теоретическое обобщение собственных материалов, а также опуб ликованных и фондовых данных;

методы гидродинамического и термодинамического моделирования с использованием ГИС-технологий и др.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработаны научно-методические основы выделения пассивной стадии техногенеза горнорудного профиля на постэксплуатационном этапе освоения месторождения, опи сываемые эвристической моделью развития геосреды в условиях техногенеза.

2. Предложена понятийная база для характеристики постэксплуатационной стадии тех ногенеза: уточнено понятие «техногенного водоносного горизонта» и предложена типи зация объектов;

обосновано выделение «природно-техногенной гидрогеологической структуры» (ПТ ГГС);

конкретизированы её отличия от «природно-техногенной под земной водоносной системы» (ПТ ПВС).

3. Обоснован комплекс опасных природно-техногенных геологических процессов пас сивной стадии техногенеза для условий Уральского складчатого пояса.

4. Доказана эволюция ГГС и ПВС на разных этапах горнорудного техногенеза.

5. Доказано, что ПТ ГГС затопленных рудников Урала своей гиперпроницаемостью нарушают природную вертикальную гидродинамическую зональность и создают в разрезе специфические по гидрогеохимическому и геотемпературному признакам зоны.

6. Описаны внутренние и внешние источники гидрохимической нестабильности ПТ ПВС на Урале.

7. Предложена геохимическая модель формирования рудничных вод при затоплении колчеданных рудников Урала.

8. Классифицированы и описаны техноприродные геологические опасности (ТПГО) в границах ПТ ПВС на Урале.

9. Разработана типизация затопленных рудников Урала по степени сложности гидрогео логических условий для обоснования их ТПГО и класса их мониторинга.

Практическая значимость работы 1. Разработаны основы комплексного прогноза техногенеза при МЛ рудников Урала.

2. Предложены критерии оценки необратимости техногенного преобразования гидро геологических условий.

3. Выявленные особенности ПТ ГГС и ПВС горнорудного профиля могут быть исполь зованы для комплексной их оценки, изучения и прогнозирования на Урале.

4. Установленные закономерности процесса затопления подземных рудников и форми рования излива рудничных вод на территории Уральского складчатого пояса являются основой экспертных многоцелевых прогнозов к проектам ликвидации, консервации, ре культивации и реабилитации нарушенных территорий.

5. Предложена методика зонирования и сравнительной балльной оценки ТПГО террито рий затопленных рудников.

6. Конкретизированы требования к системе мониторинга затопленных рудников в зави симости от сложности гидрогеологических условий и методика его реализации на кон кретных объектах Урала.

Результаты исследований используются при планировании и ведении государст венного мониторинга состояния недр на территории Уральского федерального округа.

Реализация результатов исследований 1. Выявленные закономерные развития техногенеза пассивной стадии использованы при подготовке официальных экспертных заключений прогноза гидрогеологических и гео экологических последствий затопления Гумешевского, Дегтярского, Березовского и Крылатовского рудников. Последующие наблюдения подтвердили принципиальную правильность спрогнозированных гидрогеоэкологических сценариев затопления. На Крылатовском руднике в 2011 г. реализована предложенная схема защиты жилого по селка от подтопления.

2. Автором разработаны проекты мониторинга подземных вод на ряде локальных гор норудных объектов (Гумешевском, Пышминско-Ключевском, Сибайском, Карагайском, Богомоловском рудниках, Призаводском карьере Режевского никелевого завода и др.), Режевском природно-минералогическом заказнике и др. участках ведения государст венного мониторинга состояния недр, в большей своей части прошедшие геологическую экспертизу и реализованные на практике.

3. Разработанные методические подходы и научные положения использованы для оцен ки запасов месторождений пресных подземных вод (МППВ) в пределах затопленных рудников (Богомоловский), а также на других нарушенных, в том числе, водоотбором, участках (Ежовское, Мазулинское, Верхнее-Чусовское, Верхне-Бобровское и другие МППВ).

4. Предложения по выделению МППВ в границах затопленных шахтных полей исполь зованы во «Всероссийском классификаторе месторождений для целей государственного мониторинга состояния недр» (ФГУГП «Гидроспецгеология», 2007).

5. Анализ состояния подземных вод на участках активного и пассивного горнорудного техногенеза использован при подготовке ежегодных Информационных бюллетеней о состоянии недр на территории Свердловской области и Уральского федерального округа за 2008 - 2012 гг.

В целом, степень достоверности научных положений, методических рекоменда ций и выводов основана на значительном фактическом материале и подтверждена эмпи рическими данными.

Основные защищаемые положения На защиту выносятся следующие положения, отражающие основные научные ре зультаты:

1. На постэксплуатационном этапе освоения месторождения при «мокрой» ликвидации (консервации) подземных рудников Урала формируется особый тип техногенеза горно рудного профиля пассивной стадии со свойственным ему комплексом природно техногенных геологических процессов, усложняющимся на каждом горнорудном цикле в зависимости от реализованных технических мероприятий.

2. Техногенное воздействие на гидрогеологические объекты по своему характеру может носить обратимый или необратимый характер, если после завершения активной стадии воздействия подземная водоносная система не возвращается в свое исходное (природ ное) состояние. В последнем случае основным гидрогеологическим результатом техно генного воздействия является природно-техногенная гидрогеологическая структура, ге нетически связанная с природно-техногенной подземной водоносной системой.

3. Формирование природно-техногенной подземной водоносной системы (ПТ ПВС) со провождается периодами гидродинамической и гидрогеохимической нестабильности.

Продолжительность первого на Урале определяется условиями притока природных вод на границах системы затоплением двух гидродинамических зон: выше и ниже местного базиса дренирования;

второго - обусловлена ведущими геохимическими процессами, изменяющимися в зависимости от внутренних и внешних источников взаимодействия «вода-порода». При этом ПТ ПВС нарушают природную гидродинамическую и гидро химическую зональность, создавая в результате их гиперпроницаемости особый харак тер водообмена.

4. Горнорудный техногенез создает комплекс техноприродных геологических опасно стей (ТПГО), зависящих от сложности природно-техногенных гидрогеологических ус ловий. Оценка территорий по степени опасности включает выделение внутренней, внешней и замыкающей зон, проведение гидродинамического, воднобалансового и гид рохимического прогнозов на основе комплексного мониторинга, дифференцированного по зонам ТПГО, и разработку реабилитационных мероприятий.

Апробация работы.

Основные результаты научных исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на 38 международных, всероссийских и региональных конференциях, совещаниях и симпозиумах. Основные из них: Всероссийский съезд геологов и научно практическая конференция «Геологическая служба и минерально-сырьевая база России на пороге XXI века (Санкт-Петербург, 2000 г.), международный симпозиум «Инженерно-геологические проблемы урбанизированных территорий» (Екатеринбург, 2001 г.), международная научно-практическая конференция «Техногенная трансформация геологической среды» (Екатеринбург, 2002 г.), Всероссийские конференции «Риск-2003», «Риск-2006», «Риск-2009» (г. Москва), годичные сессии Научного совета РАН по проблемам, геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии «Сергеевские чтения» (Москва, 2002, 2004, 2005, 2007, 2009, 2012, гг.), международный симпозиум «Карстоведение – XXI век: теоретическое и практическое значение» (Пермь, 2004 г.), конференции «Развитие научных идей А.М.

Овчинникова в гидрогеологии» (Москва, 2005 г.), Internation symposium on «Latest natural disasters-new challenges for engineering geology, geotechnics and civic protection” (София, Болгария, 2005 г.), XVIII и XIX Совещаниях по подземным водам Сибири и дальнего Востока (Иркутск, 2006 г., Тюмень, 2009 г.), международный симпозиум «Будущее гидрогеологии: Современные тенденции и перспективы» (Санк-Петербург, 2007 г.), российская научная конференция «Гидрохимия осадочных бассейнов» (Томск, 2007 г.), 1-й Уральский международный экологический конгресс «Экологическая безопасность горнопромышленных регионов» (Екатеринбург, 2007 г.), международная научно-практическая конференция «Подземные воды – стратегический ресурс устойчивого развития Казахстана» (Алматы. 2008 г.), Всероссийская конференция с участием международных ученых «Геологическая эволюция взаимодействия воды с горными породами» (Томск, 2012 г.), международный конгресс «Water Rock Interaction [WRI 14]» (Авиньон, Франция, 2013 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 53 работы, основные из них следующие: 2 монографии, 17 статей (в т. ч. 15 – в рецензируемых научных журналах), 17 – докладов в материалах конференций.

Личный вклад автора. Диссертант лично разрабатывала общую методику работ, участвовала в полевых работах, обработке полученных материалов комплексом методов для оценки техногенеза пассивной стадии на горнорудных объектах Урала, формулиро вала научно-методические и защищаемые положения диссертации.

Благодарности. Автор выражает глубокую признательность своему научному консультанту, заслуженному деятелю науки РФ, доктору геолого-минералогических на ук, профессору О.Н. Грязнову за постоянные консультации и помощь;

искреннюю бла годарность заведующему лабораторией института геохимии и аналитической химии РАН профессору Б.Н. Рыженко за тесное сотрудничество при выполнении термодина мических исследований, ведущему специалисту ФГУ «ТФИ по Свердловской области», кандидату геолого-минералогических наук В.П. Новикову за обсуждение результатов работ и ценные советы, директору ООО «ММПИ» И.А. Четверкину и кандидату геоло го-минералогических наук А.И. Вишняку за предоставленные фактические данные и критические замечания, генеральному директору ОАО «Уральская гидрогеологическая экспедиция» А.А. Арзамасцеву за всестороннюю помощь при подготовке диссертации.

Автор выражает глубокую благодарность всем своим коллегам в Уральской гид рогеологической экспедиции, преподавателям кафедры гидрогеологии, инженерной гео логии и геоэкологии Уральского государственного горного университета за обсуждение результатов работ и поддержку. Особую признательность за постоянную поддержку и помощь автор выражает доктору геолого-минералогических наук В.А. Елохину.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ТЕХНОГЕНЕЗА ЗАТОПЛЕННЫХ РУДНИКОВ УРАЛА Горные породы, подземные воды, природные газы, как основные компоненты ли тосферы, во взаимодействии с биотой (микроорганизмами) [222], под воздействием внешних факторов, ответственных за тепло- и массоперенос, формируют динамически равновесно-неравновесную природную систему, определяющую направление и скоро сти эволюции литосферы [33, 100]. Основным ингредиентом системы, посредством ко торого осуществляется энерго- и массоперенос, являются подземные воды [235, 236, 237].

Любая техногенная нагрузка в результате инженерно - хозяйственной деятельно сти человека приводит к тем или иным изменениям в литосфере, нарушая природное динамическое равновесие [197]. Последнее проявляется в активизации природных и тех ногенных процессов, формировании техногенных геохимических ландшафтов и т.п.

[174, 226]. В целом, изменяются скорость и характер эволюционной динамики литосфе ры. Геогенез верхней части литосферы на таких территориях уступает место техногене зу [94].

1.1. Техногенные процессы и понятие «техногенез»

Понятие «техногенез» было предложено А.Е. Ферсманом в 1934 г. для характери стики техногенных геохимических ландшафтов в условиях эксплуатации рудных место рождений, как совокупное проявление техногенных процессов рассеивания рудной ми нерализации на поверхности Земли [226]. С точки зрения А. Е. Ферсмана, «человечество такой же природный агент, как жар и холод, дробящие горные породы, как живые орга низмы, создающие особые химические соединения, минералы, горные породы».

Ферсман подчеркивает принципиальное термодинамическое различие между процессами живой и неживой природы. «В неживой природе преобладает рассеивание энергии, упрощение структур, стремление к равновесию, покою. А жизнь — это накоп ление энергии, усложнение, обновление, неустойчивость и ее постоянное сохранение, устремленность к новым рубежам, к освоению новых пространств, веществ, интервалов времени». В «… области жизни могучим … деятелем выступает человек», утверждает далее академик А.Е. Ферсман «…Тысячами способов аккумулирует человек запасы природных сил, вся деятельность его неустанно и упорно направлена на образование со единений с большим запасом энергии», что идет в разрез с эволюционной тенденцией земли к упрощению и рассеиванию энергии».

Воздействие техногенеза на подземные воды и окружающую среду в своей работе по истории природных вод в 1933 году описал академик В.И. Вернадский следующим образом: «…вся природа плейстоцена, вся биосфера меняется деятельностью человече ства. …Начало процесса теряется в седой исторической древности Египта, Месопота мии, Средней Азии… В XIX и XX вв. кривая изменения небывало резко поднялась вверх, охватив всю биосферу. Этот процесс идет вглубь, меняет режим пластовых вод...

Тысячелетия идет изменение верховодок – вод грунтовых, позже началось изменение бурением и рудным делом вод пластовых напорных. Сейчас оно местами сказывается глубже двух километров от земной поверхности. На всей биосфере исчезают и изменя ются старые виды поверхностных вод, пластовых вод, вод почв и источников. Создают ся новые культурные воды» [24, с. 86-88].

Таким образом, истоки понятия «техногенеза» в размышлениях В.И. Вернадского и Ферсмана А.Е. исходят от горнорудной деятельности человека, преобразующее воз действие на литосферу которой более других изучено.

Последующее развитие «техногенез», как обобщающее научное понятие, полу чил в целом ряде работ. Например, в работах М.А. Глазовской (1988), в которых под техногенезом понимаются уже не только геохимические, но и геофизические процессы [44].

В максимально широкой трактовке, близкой автору, понятие «техногенез» рас смотрено в монографии Н.И. Плотникова как «совокупность литолого-фациальных, геохимических, гидрогеологических, биогидрогеохимических, инженерно геологических, геокриологических и других техногенных процессов, протекающих в той части литосферы, в которой интенсивно проявляется инженерная деятельность че ловека, приводящая к изменению состояния и свойств геологической и нередко ок ружающей среды в целом» [174, с. 106]. Техногенные процессы - это прямое следст вие технических мероприятий и по своему содержанию, негативному влиянию на геоло гическую и окружающую среду чаще всего являются комплексными, как с позиции тер модинамики, так и синергетики.

С позиции термодинамики техногенное воздействие на литосферу может носить эжекционный (изъятие) или инжекционный (закачка) характер, а в сложных техноген ных условиях (в частности при горнорудном производстве), присутствуют одновремен но в разных пропорциях оба вышеуказанных воздействия [174].

Комплексность техногенных процессов в литосфере, с точки зрения синергетики, определяется её многокомпонентностью, поэтому техногенное воздействие испытывают все компоненты, что проявляется во взаимосопряженном изменении гидрогеологиче ских, инженерно-геологических и других условий и систем [68].

При этом геохимические процессы в техногенных ландшафтах есть прямое про должение горных работ и техногенных процессов в литосфере, составляя в совокупно сти горнорудный тип техногенеза. Формируется особый ландшафт не только по геохи мическим, но и географическим оценкам.

Выделение типов техногенеза выполнено Н.И. Плотниковым по совокупности техногенных процессов в прямой зависимости от сложности и формы воздействия ин женерной деятельности (Таблица 1.1). Техногенез горнорудной промышленности, за нимающий первую строчку в таблице, приобретает следующие особенности [174]:

- формирование на поверхности техногенного ландшафта, включая геохимиче ское и гидрогеохимические его аспекты, и, как следствие, загрязнения геоло гической среды, в том числе, почв, поверхностных и подземных вод;

- формирование техногенного поля напряжений в горном массиве, приводящих к развитию техногенной трещиноватости и деформации поверхности земли.

Известно, что процесс отработки месторождения, даже если он организован с учетом самых передовых технологий, дестабилизирует массив горных пород и вызывает активизацию экзогенных и, даже, эндогенных процессов [200];

Таблица 1.1 - Типизация техногенеза [174, с. 108] Тип Название типа Основная техногенная Особенности эволюционного техногенеза нагрузка на преобразования геологической окружающую среду среды I Горнорудной про- Интенсивное осушение Истощение естественных запа мышленности водоносных горизонтов сов, формирование геохимиче при горных разработках, ского ландшафта, изменение эксплуатация хвостохра- гидродинамического поля по нилищ, водозаборов и площади влияния, в меньшей т.д. степени, загрязнение геологиче ской среды II Гидромелиоратив- Интенсивное техноген- Площадное загрязнение под ный ное, линейное и площад- земных вод, при отсутствии ное питание подземных дренажа – ухудшение экологи вод ческого качества геологической среды (формирование техно генных процессов вторичного засоления почв) III Градопромышлен- Сложная система взаи- Формирование градопромыш ного комплекса модействия техногенных ленного ландшафта с тенденци процессов с осушением ей загрязнения окружающей геологической среды среды;

подтопление городских территорий IV Гидротехнического Интенсивное техноген- Подтопление прилегающих тер комплекса ное питание подземных риторий, искусственное вос вод при эксплуатации полнение запасов подземных равнинных водохрани- вод.

лищ.

Техногенная нагрузка на Формирование вызванных (тех естественное поле на- ногенных) землятрясений пряжения геологической среды при эксплуатации горных водохранилищ - формирование в водоносном горизонте локального или регионального техно генного гидродинамического режима, приводящего к дренированию влаги на этой площади;

- проникновение техногенных процессов на значительную глубину, в пределах которой подземные воды обладают высокой окислительной способностью, способностью выщелачивания, растворения и интенсивным тепломассообме ном, направленным из недр на поверхность земли;

- значительным истощением естественных запасов подземных вод, переформи рованием структуры подземного потока в плане и разрезе, баланса общего и подземного стока.

Опыт эксплуатации рудных месторождений, проанализированный Н.И. Плотни ковым, подтверждает, что в общей оценке техногенного преобразования существенную роль играют структура и свойства геологической среды [174, с. 112]. Отсюда следует, что в различных геологических условиях (структурах) техногенез, имеет свои особенно сти, в том числе, и на территории Уральского складчатого пояса.

Из пяти предложенных моделей геологической среды, на территории рудных ме сторождений Урала имеют развитие две:

- интрузивные породы с региональной трещиноватостью и зонами тектонических нарушений, в которых распространены безнапорные трещинно-грунтовые и напорные трещинно-жильные, преимущественно слабоминерализованные подземные воды (Пыш минский, Березовский рудники и др.);

- карбонатные горные породы с региональной трещиноватостью и закарстованно стью, содержащие трещинно-карстовые, преимущественно пресные воды (например, СУБР, ЮУБР и др.).

Однако в пределах уральских объектов, помимо указанных моделей в чистом ви де, встречается ещё их комбинация, когда вблизи рудного тела (например, в зоне текто нического контакта) залегают слои карбонатных (карстующихся) пород (например, на Гумешевском руднике).

Классификационным признаком при выделении типов техногенеза являются ком плексы техногенных процессов, посредством которых проявляются вышеуказанные особенности. Применительно к техногенезу горнорудного профиля Н.И. Плотников рас сматривается комплекс из 11 видов техногенных процессов (Таблица 1.2).

Таблица 1.2 - Комплекс техногенных процессов техногенеза горнодобывающего профиля (согласно [174, с. 57] с уточнениями автора*) Техногенный процесс Формы техногенного изменения свойств окружающей среды Примеры на территории Урала* 1 2 Осушение водоносных пород Истощение естественных запасов подземных вод. Практически все горнорудные надрудной и водовмещающей Коренное нарушение взаимосвязи поверхностных и подземных вод. объекты: СУБР, Дегтярский, толщ Дренирование родников, колодцев, водозаборных скважин в зоне Левихинский, Березовский, гидродинамического влияния. Пышминско- Ключевской, Гу Нарушение структуры общего водного баланса. мешевский, Сибайский и др.

Загрязнение поверхностных вод в результате сброса дренажных вод. рудники Существенное ухудшение общих ландшафтных условий Вторичная консолидация рых- Деформация поверхности и, как следствие, деформация подземных Возможны на буроугольных лых пород коммуникаций и нередко поверхностных сооружений шахтах Челябинского бассейна Депрессионное уплотнение пес- Деформация поверхности и, как следствие, деформация шахтных На Урале не известно чано-глинистых пород при сни- стволов и околошахтных горных выработок жении пластового давления Продолжение таблицы 1. 1 2 Сдвижение в массиве горных Значительная деформация поверхности, подземных коммуникаций и Практически все горнорудные пород в зоне влияния горных нередко поверхностных сооружений, дорог. объекты подземной и комбини выработок Образование зоны техногенной трещиноватости рованной систем отработки:

шахты Магнетитовая и Северо Песчанская, Дегтярский, Леви хинский, Березовский, Пыш минско- Ключевской, Гумешев ский, Крылатовский и др.

Суффозионные и суффозионно- Образование на поверхности провальных воронок. СУБР, Высокогорское, Алапаев карстовые процессы, форми- Деформация поверхностных и подземных сооружений в зоне влияния ское и Зыряновское железоруд рующиеся при осушении водо- провальных воронок ные месторождения носных карбонатных пород Внезапный прорыв рудничных Деформация и затопление горных выработок, нарушение общего Практически все горнорудные вод, формирующийся под влия- ритма добычных работ объекты нием остаточного гидростатиче ского напора Продолжение таблицы 1. 1 2 Оползневые процессы при от- Деформация уступов и бортов карьера. Режевской никелевый рудник, крытой разработке месторожде- Нарушение общего ритма горных работ ГОК «Ванадий» (Гусевогорское ний, формирующиеся при слабо МПИ), Меднорудянский отра осушенных песчано-глинистых ботанный карьер в г. Нижний породах Тагил Окисление рудной минерализа- Ухудшение качества рудничных вод, их химическое загрязнение, Все медно-колчеданные место ции и органических веществ в возможно формирование агрессивных кислых вод. рождения Урала [Емлин, 1991] осушенных породах техногенной Вторичное минералообразование (семиводные минералы типа мелан зоны аэрации терита) и их накопление в трещинах техногенной зоны аэрации* Взаимодействие осушительных Снижение общей производительности водозабора, требующее неред- Пышминско-Ключевской и Бе устройств и водозаборных со- ко строительства нового каптажного сооружения. резовский рудники, Липовский оружений предприятия Ухудшение качества воды на водозаборе при остановке рудника и никелевый рудник затоплении выработок*.

Пучение глинистых пород в под- Деформация горных выработок, требующая специального крепления Данные отсутствуют земных горных выработках Горные удары и техногенные Деформация и обрушение горных выработок СУБР землетрясения* при освоении месторождений в сложных гео лого-структурных условиях Подземные пожары* Повышенное газообразование Дегтярский, Леневский и др.

Изменение температуры горных пород медно-колчеданные рудники Подробно каждый из перечисленных выше техногенных процессов рассмотрены в целом ряде работ, посвященных проблеме влияния горнодобывающей деятельности на геоэкологические, гидрогеологические и инженерно-геологические условия прилегаю щих территорий [1, 2, 3, 4, 11, 15, 27, 37, 40, 45, 46, 55, 73, 83, 84, 93, 95, 97, 110, 113, 115, 128, 130, 141, 142, 145, 146, 152, 161, 191, 207, 208, 221, 223, 245, 265, 266, 272, 279, 281, 282]. Важное значение имеют вопросы экологического нормирования техно генного воздействия [227].

Ведущую роль в исследовании геохимических аспектов проблемы принадлежит работам М.А.Глазовской, Ю.Е. Саета, С.С. Смирнова и др., гидрогеологических и гид рогеоэкологических – В.М. Гольдберга, В.П. Зверева, В. А. Мироненко, Г.Н. Кашков ского, Ю.А. Норватова, Е.В. Пиннекера, Б.И. Писарского, Н.И. Плотникова и др., инже нерно-геологических - Г.А. Голодковской, В.И. Осипова В.Е., Трофимова и др. На Ура ле указанной тематике посвящены работы И.В. Абатуровой, Р.Ф. Абдрахманова, Л.И.

Афанасиади, Г.Н. Беляева, С.М. Блинова, С.Н. Волкова, А.И. Вишняка, Г.А. Вострокну това, А.Я. Гаева, Н.С. Глазыриной, О.Н. Грязнова, О.М. Гуман, С.Г. Дубейковского, С.Н. Елохиной, Э.Ф. Емлина, А.И. Заболоцкого, О.В. Зотеева, К.К. Имайкина, Р.Ф.

Крушатина, А.Б. Макарова, Ю.В. Михайлова, В.П. Новикова, С.В. Палкина, В.Г. Попо ва, С.С. Потапова, И.И. Плотникова, Ю.С. Рыбакова, Л.С. Рыбниковой, А.И. Семячков, А.П. Сирмана, О.В. Славиковского, Н.С. Шабалиной, В.А. Чеснокова, Л.С. Табаксблата и др.

Анализ таблицы 1.2 свидетельствует, что максимальные по площади изменения свойств литосферы и окружающей природной среды связаны с дренажными мероприя тиями по осушению горных выработок (комплекс процессов № 1). В динамике процесса осушения выделяются две фазы:

- в первую фазу горные работы расположены выше местного базиса эрозии;

ис точниками обводнения горных выработок являются естественные ресурсы и запасы подземных вод;

на фоне естественного потока подземных вод под влиянием шахтного водоотлива формируется локальный техногенный фильт рационный поток, контуры которого вызывают ограниченное осушение ком понентов ОС;

- во вторую фазу осушения снижение уровня подземных вод достигает значи тельных глубин;

в балансовую структуру источников обводнения привлекают ся поверхностные воды прилегающих рек, родниковый сток, грунтовые воды аллювиальных отложений;

происходит отрыв депрессионной воронки от реч ных долин и её региональное развитие.

Обратной стороной осушения является формирование огромных объемов дре нажных вод, имеющих обычно аномальный химический состав, что ограничивает их ис пользование в хозяйственных и технических целях. В результате производится сброс дренажных вод в поверхностные водные системы, который загрязняет их. Иногда про цесс смешения рудничных и речных вод прослеживается визуально на космоснимках на многие километры. Имеется большой объем фактических данных и многочисленные ис следования по составу рудничных вод и их влиянию на речной сток на Урале [3, 28, 30, 55, 83, 94, 113, 130, 145, 209, 231, 254, 258, 272, 279].

Снижение уровня подземных вод на больших площадях, кроме того, приводит к осушению почвенно-растительного слоя, ухудшению питания растительных сообществ, снижению бонитета лесных насаждений, осушению болот, занимающих важное место в биогеоцинозах [46, 100, 174]. Химический состав растений на промышленных отвалах железорудных, никелевых, медных, угольных и др. месторождений Урала отличается повышенным накоплением кобальта, никеля, хрома, ванадия, меди, молибдена, свинца, титана [139] Опасной является техногенная активизация суффозионно-карстовых процессов, которые могут развиваться в краевых частях депрессионных воронок рудничного водо отлива за пределами горного и земельного отвода горнодобывающих предприятий, что затрудняет их прогноз и контроль. Обычно процессы техногенного карста и суффозии происходят на пойменных участках речных долин (СУБР и др.).

В пределах горных отводов при определенных системах подземной разработки (с обрушением кровли) формируются мощные зоны обрушений и провалы (являющиеся следствием нарушения сплошности массива горных пород и других особенностей гор нотехнических мероприятий), как, например, над подземными выработками шахты Се веро-Песчанская Богословского рудоуправления или шахты Магнетитовой Высокогор ского управления (Рисунок 1.1), достигающие глубины 40 и более метров.

Внезапный прорыв рудничных вод встречался при работе многих уральских руд ников. Особенно водообильными являются СУБР, ЮУБР, Полуночные марганцовые рудники, Гумешевский, Дегтярский и др. объекты, в геологическом строении которых участвуют карстующиеся горные породы (известняки и доломиты). Опасными являются прорывы поверхностных вод при развитии депрессионных воронок по площади (СУБР, Покровское и Зыряновское железорудные месторождения, Березовский рудник и др.). С увеличение глубины отработки объем водопритоков обычно стабилизируется [42, 81, 262, 263, 264].

Рисунок 1.1 - Провалы на Высокогорском железорудном месторождении Оползневые процессы на бортах карьеров и провалов в пределах Уральских складчатых структур обычно формируют мелкие тела, которые устраняются их укреп лением (Рисунок 1.2).

Техногенный процесс окисления рудной минерализации наибольшую активность приобретает на колчеданных месторождениях и, в первую очередь, в пределах пород ных отвалов, механизм которого достаточно хорошо изучен [12, 62, 94, 129, 171, 225].

Как отмечалось выше при описании старых Сернистых рудников в Самарской об ласти и рудников на побережье Белого моря, в пределах техногенной зоны аэрации про исходит не только окисление и вынос минеральных образований, но и накопление вто ричных минералов. На Урале описание вторичных минералов на разрабатываемых мед но-колчеданных месторождениях выполнено Е.В. Белогуб, Е.П. Щербаковой, Н.К. Ни кандровой, а на угольных - В.А. Чесноковым (горелые отвалы), С.С. Потаповым и др.

Рисунок 1.2 - Формирование оползня в бортах Южного разреза Богословского буроугольного месторождения Ещё одним опасным техногенным процессом горнорудного техногенеза являются горные удары. «Чемпионом» по этому показателю признаны Северо-Уральские бокси товые рудники, где наблюдены техногенные месторождения интенсивностью до 3 бал лов [270].

Уральской гидрогеологической экспедицией и Уральским государственным гор ным университетом с средины 20-го века и по настоящее время, в том числе, в течение последних 30 лет при непосредственном участии автора, неоднократно выполнялись ра боты по обследованию и изучению геоэкологических, гидрогеологических, инженерно геологических и горно-технических условий эксплуатируемых месторождений твердых полезных ископаемых в пределах Свердловской, Челябинской, Пермской областей [1, 55, 254, 256, 258, 260, 265, 266, 270, 272, 281, 282], работы ПГО «Центргеология» [279] и др. Результаты многолетних работ и личные наблюдения автора, частично изложен ные далее в настоящей работе, позволяют утверждать, что для рудников на территории Уральского складчатого пояса практически не встречаются (встречаются редко, в ос новном, при разработке угольных месторождений) следующие техногенные процессы:

- вторичная консолидация рыхлых пород;

- депрессионное уплотнение осушенных песчано-глинистых пород при снижении пластового давления.

Кроме того, ещё один вид техногенных процессов - взаимодействие дренажных и водозаборных систем, на Урале не характерен в силу сложившейся исторической прак тики. Разработка большинства рудников была начата в условиях преимущественного использования поверхностных вод для питьевого водоснабжения, поиски подземных ис точников водоснабжения происходили на фоне уже созданной депрессионной воронки рудничного водоотлива с учетом её присутствия. В качестве таковых нередко принима лись (или создавались) дренажные узлы скважин, как это реализовано на СУБРе для во доснабжения г. Североуральска или в г. Карпинске, г. Реж и др. [164, 254, 270].

Разумеется, огромные площади, которые осушаются дренажными системами, соз дают проблемы для организации питьевого водоснабжения (например, в г. Березов ский), главным образом, удалением водозабора от потребителя в смежные речные бас сейны. Однако ограниченные размеры местных бассейнов подземного стока на Урале позволяют решать проблему питьевого водоснабжения с экономической точки зрения в допустимых пределах.

1.2. Изученность техногенеза постэксплуатационной стадии Согласно [174], после остановки горнорудного предприятия продолжение техно генеза не предполагается, поскольку прекращаются технические мероприятия и связан ные с ними техногенные процессы. Однако эмпирические данные о состоянии террито рии закрытых и остановленных рудников и шахт в различных регионах мира, России и Урала, показывают, что опасные геологические процессы в литосфере продолжаются и на постэксплуатационной стадии, иногда даже в большем объеме.

Известна позиция Э.Ф. Емлина, в которой постэксплуатационный период (после остановки горнодобывающего предприятия) соотносится с особым видом техногенеза (Таблица 1.3). При этом выделяется три основных стадии освоения месторождений [94].

Таблица 1.3 - Соотношение стадий техногенеза и освоения месторождений (по [94] с уточнениями и добавлениями автора*) Стадии техногенеза Стадии освоения месторождений 1. Предтехногенная (стадия развития геосистемы) 1. Разведка месторождения и разработка проекта на его освоение 2. Прогрессивная стадия* техногенеза. 2. Строительство и экс Характеризуется возрастанием внутренней энергии геосис- плуатация горнодобываю темы. Ведущую роль играют управляемые процессы механи- щего предприятия ческого разрушения, переноса и дифференциации минераль ного вещества, увеличение удельной поверхности метаста бильных фаз, увеличение зоны аэрации, скорости водообме на, формирование и накопление тонкодисперсных продуктов механического разрушения, возрастание роли самопроиз вольных геодинамических процессов, активизация гидрогео химической миграции и процессов минералообразования, повышение температуры массива за счет процессов окисле ния 3. Регрессивная стадия* техногенеза. 3. Постэксплуатационная:

После прекращения управления технической системой (по- консервация или ликвида сле завершения эксплуатации) самопроизвольные геодина- ция горнодобывающего мические процессы используют энергию, накопленную в предприятия, рекультива предыдущий прогрессивный период. Происходит активиза- ция.

ция геодинамических процессов, формирование природно техногенной гидрогеологической системы* *в редакции автора Первая, предтехногенная стадия, на которой любые техногенные нарушения но сят обратимый характер.

На второй стадии при вскрытии и освоении месторождения подземным или от крытым способом дренажные мероприятия создают техногенную зону аэрации. В её границах нарушается не только гидродинамическое, гео- и гидрохимическое равнове сия, а перемещение массы горных пород нарушает геодинамическое состояние массива, геофизические поля (гравитационные, тепловые, геомагнитные и пр.). Основным факто ром формирования нестабильности является техногенный, и это квалифицируется как прогрессивная стадия техногенеза.

На третьей, посэксплуатационной стадии, в работе Э.Ф. Емлина выделяется рег рессия нарушенных условий, то есть расходование накопленной человеком при отра ботке месторождения энергии. Накопленные напряжения разгружаются через геодина мические и гидрохимические процессы, геосистема стремится вернуться в исходное со стояние, составляя регрессивную стадию техногенеза.

В принципе автор солидарен с подобной оценкой роли техногенеза на постэкс плуатационной стадии, но с некоторыми поправками: полная регрессия геосистемы в исходное состояние в принципе невозможна в силу её необратимой нарушенности.


На таких участках литосферы, как будет показано ниже, уже другие гидродинамические, гидрогеохимические, инженерно-геологические и прочие условия, и, конечно, другие ландшафты.

Геоэкологические и гидрогеологические последствия затопления шахт и рудников привлекли к себе особое внимание в России и, в том числе, на Урале в конце XX-го века в период массовой ликвидации и закрытия горных предприятий, в большей степени в угольной отрасли. В историческом разрезе затопление и ликвидация рудников, как уже отмечалось, не является новым мероприятием, поскольку происходила многократно на всех континентах. По данным «Горной энциклопедии…» в Европе, Азии, Африке и Америке имеются десятки примеров отработанных, остановленных и затопленных руд ников [47-51]. Глубина их воздействия достигает 1-3 км, а суммарная площадь нару шенных горнотехнической деятельностью земель составляет более 15-20 млн. га, из ко торых 59 % - это различные горные выработки, 38 % - отвалы, 3 % – места оседания, провалы и другие нарушенные земли.

На Урале традиционно преобладает комбинированный способ отработки рудных месторождений с высокой долей подземных выемок [201, 202].

Подземные горные выработки отработанных месторождений, относятся к разряду подземных пространств, повторная эксплуатация которых может быть экономически выгодна. Согласно классификации подземных пространств В.Н. Дублянского и В.Н.

Андрейчука [61] подземные горные выработки относятся к группе - искусственные, классу – антропогенные, подклассу - механогенные. По данным этих же авторов коли чество полостей такого рода составляет n105, что является, наряду с карстогенными полостями (пещерами), самым распространенным типом подземных пространств на земном шаре. Горная энциклопедия оценивает общую протяженность подземных выра боток горнодобывающего производства свыше 500 тыс. км.

При таком масштабе техногенной нарушенности изученность геоэкологических последствий постэксплуатационной стадии в сравнении с периодом эксплуатации весь ма незначительна. По-мнению автора, это связано с тем, что при осуществлении добыч ной деятельности получается доход и социальные блага, создающие в ней заинтересо ванность, с одной стороны, с другой - воздействие на литосферу и окружающую среду огромно, прогрессивно (по Емлину, 1991), экологические, материальные и прочие риски очевидны.

Прекращение отработки месторождения по тем или иным причинам означает пе ревод рентабельного горного объекта в нерентабельное состояние на очень длительное время. Экономический интерес к объекту теряется и среди защитных мероприятий пре обладает рефлекторный «уход» антропогенной активности с нарушенной горными рабо тами территории, обычно малопригодной или непригодной для постоянного прожива ния.

Такой подход оправдывал себя до тех пор, пока урбанизация освоенных террито рий не потребовала для «ухода» с подработанных территорий слишком высокую цену. В зонах подработки в результате урбанизации оказались города, поселки и другие объекты (питьевые водозаборы, водохранилища и др.), тысячи человек в Кузбассе, Донбассе, на Урале, Дальнем Востоке и т.д., переселить которые затруднительно или не представля ется возможным. Поэтому при закрытии рудника (шахты) приходилось срочно бороться с последствиями затопления, обзор которых на некоторых конкретных объектах приве ден ниже.

Наиболее известной является история закрытия в Великобритании 60 угольных шахт, что вызвало бурные протесты профсоюзов. Шахты закрывались в течение 10 лет путем контролируемого затопления, провоцируя ряд попутно решаемых экологических проблем, если верить источнику [169]. Важно, что при этом гидродинамическое взаимо действие шахт отсутствовало, они не сопряжены с селитебными зонами, а взамен были построены современные крупные шахты. После этого каких-либо значимых экологиче ских или социальных проблем в открытых информационных источниках не описано.

Необходимо отметить опыт польских коллег [249-251], которые длительное время проводили специальные исследования на полноценной наблюдательной сети в старом меднорудном районе на юго-западе Польши (бассейн Grodziec), где процесс затопления отработанных медных шахт угрожал питьевому водоснабжению населения. Система контроля за состоянием подземных вод включала несколько сотен наблюдательных по стов (скважины, колодцы и старые шахты глубиной до 800 м), в которых проводились гидродинамические, гидрохимические и изотопные исследования подземных горизон тов.

Напомним, что меднорудные месторождения здесь отрабатывались в течение по лувека до глубины 830 м. Площадь депрессионной воронки достигала 55 км2 и захваты вала все водоносные горизонты, имеющие значение для питьевого водоснабжения. С 1951 по 1999 год рудничным водоотливом откачивалось до 2,5 тыс. м3/час подземной воды, хотя в 1989 г. добыча медной руды была завершена закрытием последнего рудни ка «Конрад», а использование извлеченной воды не превышало 10 %.

Затопление рудника (шахт) остановкой водоотлива началось только в 2001 г. по сле сооружения двух водозаборных скважин глубиной 830 м. Через год было зафикси ровано повышение минерализации, сульфатов, железа, марганца, жесткости воды в под земных выработках (Таблица 1.4).

Вместе с этим в регионе возникли и другие проблемы, связанные с изменением химического состава подземных вод и речного стока:

• изменились эксплуатационные запасы подземных вод;

• возникли трудности с водоснабжением жителей;

• требуются мероприятия по охране запасов среднецехштейнского горизонта как главного резервуара пресных подземных вод.

По результатам гидрогеологического мониторинга ухудшение качества шахтных вод на первом этапе затопления объяснялось растворением продуктов выветривания сульфидных минералов (гидросульфатов), накопленных в осушенной горными работами части месторождения.

Таблица 1.4 - Изменение химического состава шахтных вод медного рудника при его затоплении [249] Показатель Ед. измере- Стадия отработки Стадия затопления ния 1987-1988 гг. 2002-2003 гг. 2006 гг.

Минерализация мг/л 297- 419 657-2466 88- Жесткость мг СаСО3/л 264-319 59-2466 54- Са мг/л 24- 86 46-297 16- SO4 мг/л 60-116 259-1195 11- Cl мг/л 12-25 28-182 10- pH б/р 7,6-8,2 6,3-12,0 5,9-7, Fe мг/л Н.с. 0,17-51,4 0,38-8, Mn мг/л Н.с. 0,001-2,68 0,015-1, HCO3 мг/л Н.с. 17-689 11- Ежедневное восстановление водного уровня фиксировалось со скоростью 2- м/сут. в начале затопления. Затем подъем уровня замедлился ниже прогнозного до ско рости 0,02-0,03 м/сут. Давление в водоносном слое стабилизировалось приблизительно на 50-60 м ниже, чем начальные условия.

Самыми интересными, по мнению автора, являются изотопные исследования, ко торые проводились на территории Гродзеского бассейна с 1991 г. на 12 участках. Ис следовались изотопы кислорода, дейтерий и тритий.

В 2005 исследование изотопического состава было расширено, что позволили продемонстрировать перестройку балансовых составляющих подземного стока после остановки рудника. На стадии отработки концентрация трития закономерно и однород но уменьшилась с глубиной до 0,5 тритиевых единиц (на глубине 830 м).

Спустя четыре года после того, как дренаж был остановлен (в 2005 году), эта за кономерность значительно изменилась. Низкая концентрация трития была установлена только в скважине на глубине 845 м, а на других участках (шахты KI, KII) концентрация трития изменялась от 9 до 13,3 тритиевых единиц, что указывает на интенсивное пере мешивание вод различного генезиса (возраста) в пространстве затопленных шахтных полей и глубоком проникновении инфильтрогенных вод. В результате было установле но с высокой вероятностью, что время «перебалансировки» гидродинамических условий в водоносных техногенных слоях после прекращения водоотлива будет превышать про гнозный 8-летний период.

Кроме гидрогеологических аспектов стадии затопления Гродзенских рудников, были зафиксированы и изучались и другие проявления горнорудного техногенеза: про валы, подземная водная эрозия и др.

Эколого-геологические последствия массового затопления угольных шахт в Вос точном Донбассе всесторонне проанализированы в работе [242]. К наиболее опасным процессам отнесены перетоки между затопленными и действующими шахтами, что при водило к переформированию газовой зональности по метану и углекислоте, обескисло роженного («мертвого») воздуха. Затопление шахт сопровождалось вытеснением под земного воздуха (в том числе, и радона) из горных выработок, трещин в массиве горных пород к поверхности земли в заглубленные инженерные сооружения, отслеженное на протяжении от 3 до 15 и более лет.

В работе зафиксированы факты выхода шахтных вод на поверхность земли, опре деляющие развитие подтопления и заболачивания, признанные самыми масштабными негативные процессами. Отмечено ухудшение качества шахтных вод после затопления.

Например, в шахте «Комиссаровская» общая минерализация увеличилась с 8 до 18 г/л с концентрацией сульфатов до 8,8 г/л, железа – 170 мг/л. Изливающие воды содержат це лый ряд токсичных веществ (медь, кобальт, кадмий, стронций и хром).

Опасными признаны и геодинамические процессы, представленные оседанием поверхности земли на 1-2 м, образование провалов и провальных зон на поверхности земли глубиной до нескольких метров и диаметром в десятки метров. В г. Донецке объ ем выработанного пространства, сейчас заполненный водой, составляет около 300 млн.

м3, что провоцирует техногенную сейсмичность. Уже было зарегистрировано более техногенных землетрясений.

Немалое значение для общей картины техногенеза постэксплуатационной стадии имеют техногенные ландшафты, элементами которых являются нерекультивированные породные отвалы, зоны оседания, заболачивания, угнетения растительности, нагромож дение разрушенных и неразобранных инженерных сооружений и т.п. В г. Шахты нахо дятся 40 отвалов, занимающих 183 га земли. Некоторые отвалы горят, выбрасывая в ат мосферу до 170 т/год различных газообразных и твердых веществ. Фильтрующиеся че рез отвалы дождевые и талые воды содержат токсичные вещества, превышающие ПДК (иногда в десятки раз), загрязняя поверхностные и подземные воды.


Сверхфоновое содержание токсичных элементов обнаружено в почвенном покро ве Восточного Донбасса, в том числе, меди, свинца, никеля, цинка, хрома, стронция, ва надия, кобальта, марганца, молибдена, титана, галлия, олова, скандия, бериллия и др.

Наиболее высокие их содержания на площадках действующих и закрываемых шахт («Гундоровская», «Изваринская» и др.). Разумеется, после закрытия шахт рекультивация почвенного покрова практически не выполняется.

Известно, что в 1917 г. в Донбассе работало около 1600 шахт, ведущих добычу угля в интервале глубин от 50 до 200 м. В период восстановления шахт после 1945 года было заложено ещё более 600 мелких шахт [150]. До 50-х годов для крепления всех под готовительных выработок применялась древесина с относительно недолгим сроком службы, поэтому все очистные выработки на глубинах до 80-100 м независимо от вре мени проведения представляют опасность для зданий и сооружений, расположенных на земной поверхности, тем более, что используемый в отечественной маркшейдерской практике метод расчета вероятных и ожидаемых сдвижений и деформаций земной по верхности под влиянием подземных горных разработок дает достоверные результаты лишь в интервалах глубин от 150 до 700 м.

По информации А.М. Ефимова с 1993 по 2005 год в Восточном Донбассе было ликвидировано около 200 угледобывающих предприятий [96]. При этом шахтные ство лы представляют собой наиболее крупные инженерные сооружения, и их ликвидация является самой трудоемкой, дорогостоящей и небезопасной. После ликвидации шахт на них часто происходят техногенных аварий. Наиболее часто встречаемые причины ава рий:

1. Не засыпанные породой и плохо закрытые устья стволов (разрушение слабой крепи стволов и нарушение полков недостаточной прочности на их устье).

2. Некачественно засыпанные стволы или стволы, в которых из-за растворения известняков или размыва слабых вмещающих пород подземными водами (по мнению автора, это признаки подземной водной эрозии), происходит обрушение крепи стволов.

3. Затопление стволов поверхностными водами или интенсивные притоки под земных вод, вызывающие размыв закладки и её унос в сопрягающие со стволом выра ботки, часто с образованием кратеров и провалов (также признаки водной эрозии).

4. Взрывы и возгорания метана, поступление метана или «мертвого воздуха» в окружающие здания и сооружения.

5. Внезапные подъемы воды в ликвидируемых стволах на десятки метров, причи ны которых неизвестны.

6. Отсутствие мониторинга за ликвидированными стволами, который смог бы предотвратить все крупные аварии.

С позиции генезиса половина аварий спровоцирована подземными водами, в том числе, и выход метана, который вытесняется из выработок при их затоплении, осталь ные - техническими и организационными факторами.

Среди немногочисленных российских работ, посвященных названой проблемы, выделяются работы Санкт-Петербургского ВНИМИ и, в первую очередь, Норватова Ю.А. и Петровой И.Б. [39]. Ими проанализированы гидрогеологические условия и по следствия затопления угольных шахт Восточного Донбасса и Кузбасса, разработано ме тодическое руководство по прогнозу гидрогеологических условий, обеспечивающих предотвращение негативных экологических последствий [153], в частности, подтопле ния селитебных территорий, прорывов шахтных вод в работающие смежные шахты, за грязнения питьевых водозаборов и т.п.

Самая сильная сторона работ Ю.А. Норватова и И.Б. Петровой заключается в раз работке и усовершенствовании методики численного моделирования процесса затопле ния шахтных полей в нестационарной постановке. Работы выполнялись на конкретных объектах Восточного Донбасса. Затапливаемые шахты представлялись как особые при родно-техногенные гидрогеологические структуры, сформированные при ведении очи стных горных работ. Установлено, что гетерогенность техногенных комплексов и водо насыщенность перекрывающего породного массива определяют характер затопления при стабилизации водопритоков через 800-1000 суток после начала процесса затопле ния. Далее объем водопритоков на исследованных объектах уменьшается до 100- м3/сут [155]. В последней работе предложены аналитические зависимости для прогноза времени затопления применительно к трем типовым гидродинамическим схемам при родно-техногенных гидрогеологических структур Восточного Донбасса. Тестовыми расчетами доказано влияние упругоёмкости перекрывающего породного массива на скорость затопления: чем выше упругоёмкость, тем медленнее процесс затопления. На пример, при коэффициенте упругоёмкости = 10-6 1/м скорость подъема составила 0, м/сут, а при увеличении упругоёмкости до 10-5 и 10-3 1/м скорость затопления снижается до 0,1 м/сут. Не учет упругоёмкости перекрывающего породного массива для геологи ческих условий Восточного Донбасса создает погрешности прогноза затопления до %. Следует отметить, что для рудников Урала учет упругоемкости перекрывающего массива, из-за геологических особенностей территории, не столь значим.

Изложенный подход был реализован при прогнозе затопления Ленинградского месторождения горючих сланцев (шахты им. Кирова и Ленинградская) с прогнозом фе нольного загрязнения, являющегося продуктом переработки горючих сланцев [156, 168].

Натурные наблюдения показали, что затопление горных выработок приводит к повыше нию концентрации летучих фенолов и тяжелых металлов в шахтных водах, за счет ин фильтрационного загрязнения из снегового покрова. По результатам численного моде лирования через три года после затопления шахт в подземных водах кукерского и тал линского горизонтов, используемых для водоснабжения г. Сланцы, ожидается превы шение ПДК по содержанию фенолов и некоторых тяжелых металлов.

Суммарные водопритоки к шахтам на первом этапе затопления составляли 4000 5000 м3/час при глубине около 80 м и площади месторождения - 700 км2. На завер шающей стадии затопления водопритоки в выработанное пространство прогнозирова лись снизиться до 500 м3/час, скорость подъема уровней - 0,05 м/сут. Время полного за топления прогнозировалась 800 - 1000 суток. Разработанная численная модель позволи ла обосновать эффективную систему гидрогеоэкологического мониторинга месторож дения на период его затопления [134]. В некоторых работах указанного коллектива ав торов отмечено увеличение доли подземного стока на подработанных территориях до предельных значений: подземный сток равен или даже превышает значения общего [153, 154]. Существуют и другие модели затопления шахтных выработок [133].

По данным затопления угольных шахт Стахановско-Брянского региона Восточно го Донбасса, проанализированных Черниковой С.А., скорость водоподъема изменялась от 0,2 до 8,0 м/сут с максимальными значениями в зонах наибольшей нарушенности массива [230]. Ею выполнена классификация объектов затопления на 3 группы по гор но-геологическим параметрам. Объекты I группы с коэффициентами фильтрации 0,005 0,09 м/сут затопляются со скоростью 0,05-1,09 м/сут.;

II группы – при коэффициенте фильтрации 0,35-46,4 м/сут, со скорость затопления 0,08-5 м/сут;

III группы - соответст вующие значения 0,5-3,8 м/сут и 0,3-0,87 м/сут. Естественно, подобные оценки носят индивидуальный характер, поскольку комплекс факторов включает как горно геологические, так и климатические факторы, сочетание которых на каждом объекте индивидуально.

Последствия затопления 43 шахт Кузбасса рассмотрены в работах В.М. Лювига.

Угольные шахты отрабатывались от 30-40 и до 100 лет, имели глубину 300-400 до 700 м, площадь горных выработок - от единиц до десятков квадратных километров, различное геоморфологическое расположение (от долин I-го порядка до водоразделов и приводо раздельных склонов) [137, 138].

Шахты затапливались двумя способами. Во-первых, с полным заполнением есте ственным путем, во-вторых, с частичным затоплением до обоснованных безопасных от меток и последующим их поддержанием путем водоотлива или самопроизвольного пе ретока на соседние действующие шахты.

Среди неблагоприятных процессов на территории Кузбасса особую опасность создает подтопление, которое развивается не только и не столько в пределах горного от вода шахт, но в первую очередь, на периферии депрессионных воронок в пределах реч ных долин, где иногда восстанавливается родниковая разгрузка (например, долина р.

Аба в зоне влияния шахты им. Орджоникидзе и др.). Одним из факторов, обостряющих процесс подтопления, является усиление инфильтрационного питания, которое в весен ний период при снеготаянии возрастает в 3-5 раз (по мнению автора, яркое свидетельст во изменение общего водного баланса территории). Хочется подчеркнуть, что усиление инфильтрационного питания в 2-3 раза до предельных значений общего стока также бы ло обосновано автором на Среднем Урале в границах шахтного поля ликвидированного Богомоловского рудника [72, 257].

По данным [138], в процессе техногенной деятельности пористость и проницае мость массива в пределах горного отвода увеличилась до 5-7 %, а наличие капитальных горных выработок обеспечивало хорошую гидравлическую связь разных геоморфологи ческих участков месторождения.

В результате затопленные шахты стали выполнять роль дренирующей системы для подземного стока (автор полагает, это признаком коренной перестройки структуры фильтрационного потока), что привело к загрязнению транзитного фильтрационного по тока при прохождении через техногенные полости. В подземных водах возрастала ми нерализация в 3-4 раза (до 2-3 г/л), появляется сероводород (до 0,4-0,8 мг/л), надфоно вые концентрации соединений азота, железа, марганца, нефтепродуктов, ХПК и БПК, что связано с большим количеством органического материала в затопленных шахтах (деревянная крепь, ветошь и пр.), растворением солей карбонатов и сульфатов, накоп ленных в виде пыли в горных выработках. Восстановительный режим в подземных вы работках характеризуется низким Еh (до -30 мв).

В ряде случаев создается угроза для питьевых водозаборов, если в область пита ния попадают затопленные шахты (шахты им. Дмитрова, Бунгурская, им. Волкова). В целом, уровень техногенного воздействия на «пассивной» фазе воздействия на геологи ческую среду, по оценкам Людвига, даже превышает наблюдавшийся при добыче угля.

Гидрохимические последствия ликвидации угольных шахт в Приморском крае и на Сахалине освещены в работах И.А. Тарасенко и коллег [213, 214]. Существенное гидрохимическое воздействие шахтных вод с минерализацией от 2 до 4 г/л испытывают поверхностные водотоки в зоне влияния шахты «Мгачи», затопленной аварийно в году [213]. Напротив, солоноватые шахтные воды техногенного комплекса в пределах Раздольненского каменноугольного бассейна Приморья, содержащие повышенные кон центрации железа, марганца, фенолов, нефтепродуктов, сульфатов и др., как показали инженерно-экологические изыскания, значимого влияния на поверхностный и подзем ный сток за пределами горного отвода не оказывают.

Гидрогеологические и геоэкологические аспекты закрытия и затопления угольных шахт на Урале в Кизеловском бассейне с 2002 года рассматриваются в работах [106, 107, 180, 248] и др. В этих работах отмечается, что затопление шахт происходило в течение 2-5 лет и сопровождалось формированием родниковой разгрузки в долинах рек, напри мер, р. Кизел. Согласно оценкам С.М. Блинова и А.К. Имайкина, общий объем излива шахтных вод после затопления составил в среднем 17 % от величины дренажного водо отлива. Затопление шахт сопровождалось образованием техногенных горизонтов кис лых шахтных вод мощностью 25-30 м на площади многих десятков квадратных кило метров.

Также как на объектах Донбасса и Кузбасса, при затоплении угольных шахт Ки зеловского бассейна, зафиксировано изменение состава шахтных вод, который после за топления отличался максимальной кислотностью, солесодержанием, сульфатностью.

Затем в течение 12-25 лет после начала излива происходит снижение содержания мине ральной составляющей шахтных вод. Например, в шурфе 63 шахты «Белый Спой» вели чина сухого остатка за первые три года уменьшилась с 20,4 до 6 г/л, а в следующие лет – до 1,5 г/л (Таблица 1.5). Затем наблюдается относительная стабилизация химиче ского состава. По ориентировочным балансовым расчетам [106], стабилизация химиче ского состава шахтных вод на их изливе обеспечена накопленными потерями пирита в отработанных шахтах Коспашского месторождения почти на 1500 лет.

В местах выхода шахтных вод на поверхность земли зафиксировано образование осадка, представленного преимущественно гидроокислами железа, а также алюминием, марганцем, тяжелыми металлами [180]. Аналогичный состав обнаружен автором в дон ном осадке при выходе шахтных вод Дегтярского рудника на поверхность земли [76, 165].

На территории Кизеловского бассейна осадок сноситься течением речных вод и накапливается в зоне подпора Камского водохранилища, угрожая вторичным загрязне нием речным системам. Сток с территории Дегтярского рудника, по фондовым данным [261], накапливается в Ельчевском отстойнике и угрожает Волчихинскому водохрани лищу - основному источнику питьевого водоснабжения г. Екатеринбурга.

На поверхности земли ниже самоизлива шахты «Белый Спой» на Кизеловском угольном бассейне исследователями обнаружено образование уникальных морфологи ческих форм, характерных для травертиновых построек, но образованных сульфатами и гидрооксидами железа. Уступы и барьеры с неглубокими водными ваннами, в которых нижняя часть отложений, мощностью до 0,5 м, представлена ярозитом, верхняя – темно бурыми пористыми корами гидроокислов железа [180].

Согласно данным тех же авторов, вторичное минералообразование в Кизеловском бассейне происходит и на 53 отвалах, являясь результатом физического выветривания, окисления, растворения, гидролиза, гидратации и других процессов под воздействием природных агентов. Образованы неустойчивые и хорошо растворимые сульфаты железа, алюминия, кальция, а стоки с отвалов, формирующиеся за счет инфильтрации атмо сферных осадков, имеют минерализацию до 50 г/л и более, рН 1-3, значительные кон центрации сульфатов, железа, алюминия, тяжелых металлов.

Таблица 1.5 - Химический состав шахтных вод до и после закрытия шахт Кизеловского угольного бассейна [Имайкин, Баньковская, Буркова;

Имайкин] Объект, в скобках - рН сухой остаток сульфаты хлориды железо общ. Al2+ Ca2+ Mg2+ дата отбора до до до до до до до после после после после после после после до после Шахта им. Ленина 4,65 708 315 78 35 69 150 60, 3,76 2090 1390 14 1,35 509 (30.01.97 - 23.11.99) "Белый Спой" 3,55 2090 5924 - 1270 472 - (1980 - 1986) 2,45 11130 12870 39 3426 798 192 Центральная (1980) Центральная, им.

2,8 9917 6900 4 2283 182 267 Урицкого, им. Кали- 2,7 10370 6620 - 1724 369 - нина (излив через штольню, 1997) Западная - Гремячин ская(1993), Западная, Таежная (излив через штольню шх. «Таеж 2,95 3297 2181 100 600 53 200 ная», 16.08.99) 2,63 3832 2786 5 254 262 195 Ранее исследованиями на примере Уральских объектов была доказана особая ток сичность отвалов отрабатываемых колчеданных месторождений [94, 95]. В результате вторичного минералообразования происходит вынос геомиграционными потоками (по верхностным и подземным стоком) выщелоченных элементов и образование масштаб ных техногенных геохимических, гидро- и биогеохимических ореолов рассеяния кад мия, цинка и др., выходящих далеко за пределы подработанных территорий.

Существенное загрязнение железом, цинком, медью, кадмием, бериллием, свин цом, мышьяком и сурьмой, как показали исследования С.Б. Бортниковой и А.В. Еделева [62], могут продуцировать отвалы и золоторудных месторождений. Экспериментами с сульфидсодержащими отвальными породами Тасеевского и Ведугинского золоторудных месторождений продемонстрирована возможность нарастания кислотности в диапазо не от нейтральных значений до 2, а также концентрации металлов и металлоидов во времени до концентраций, опасных для объектов окружающей среды. Активизируют процессы загрязнения выветривание отвальных пород.

При сохранении отвалов и техногенных геохимических ореолов после остановки рудников можно с высокой степенью вероятности предположить, что выявленные гео химические закономерности будут иметь продолжение и на постэксплуатационной ста дии техногенеза достаточно длительное время.

Еще одним процессом, сопровождающим затопление шахт в Кизеловском бассей не, является активизация карста и подтопления, а также их парагенезиса, детально ис следованный Г.Н. Дублянской [60].

Геоэкологические последствия закрытие горнорудных предприятий в конце 20-го века на Дальнем Востоке рассмотрим на примере Смирновского свинцово-цинкового рудника (Сихотэ-Алинь, бассейн р. Рудная), эксплуатируемого с 1950 по 1996 г. После остановки и затопления рудника отмечено закисление рудничных стоков, в том числе, в результате прекращения их нейтрализации [6]. При его эксплуатации (до 1989 г.) руд ничный сток после нейтрализации и отстойника имел слабощелочную реакцию и суль фатно-кальциевый состав. После остановки и затопления рудничный сток из штолен и дренажные воды из отвалов, дренировались единым ручьем, впадающим в р. Рудная без какой-либо очистки.

Сравнением результатов опробования разных лет показано, что через два года по сле прекращения работ на руднике стоки стали более кислыми, в них почти вдвое воз росло количество сульфатов, кальция, магния (Таблица 1.6), что в целом свидетельству ет об интенсификации окислительного сернокислотного процесса в выработках и нако пленных отвалах и более активном воздействии агрессивных вод на рудовмещающие породы. Русло ручья покрылось аморфными гидроокислами железа и алюминия, чего не наблюдалось в 1989 г. Аналогичные процессы можно наблюдать и при закрытии неко торых уральских рудников, например, Дегтярского [165, 261].

Таблица 1.6 - Химический состав шахтных вод Смирновского рудника и реки Рудной до и после закрытия рудника [6] мг/л Компонент Смирновский рудник Р. Рудная ниже пос. Краснореченский (ниже рудника) 1989 г. 1997 г. 1989 г. 1997 г.

(работающий (после закрытия (работающий (после закрытия и рудник) и затопления рудник) затопления рудника) рудника) рН 7,83 6,66 7,44 7, НСО3- 51,1 24,4 29,6 38, Сl 0,6 0,6 0,9 0, SO42- 382 571 36 Са2+ 70,7 14,5 6,25 Mg2+ 32 57,4 4,08 3, Na+ 22,3 25,1 5,0 5, K+ 2,2 3,2 0,83 1, Fe 0,21 13,2 0,027 0, Al 0,23 46,5 0,04 Н.с.

Zn 1,97 8,2 0,82 0, Mn 0,89 8,7 0,248 0, Cu 0,0048 0,0028 0,005 0, Pb 0,0026 0,003 0,0013 Не обн.

Cd 0,001 0,026 0,0024 0, Напротив, снижение активности процессов сернокислотного выщелачивания на уральских рудных объектах при восстановлении уровня подземных вод, заполнения вы работанного пространства водой и ограничения доступа кислорода к остаточной суль фидной минерализации на глубоких горизонтах отмечается в работах [103, 130]. Исклю чение, по мнению вышеуказанных авторов, составляют рудники, в недрах которых ос тались сульфидсодержащие породы и руды, залегающие выше уровня местного базиса разгрузки. Именно на таких объектах, утверждает источник, наблюдается излив кислых вод из шахт и карьеров после их затопления, при этом значение рH воды остается на уровне 2,0 – 2,5, а содержание тяжелых металлов достигает нескольких сотен г/м3 (Таб лица 1.7). Следует отметить, что такое объяснение не согласуется с ростом кислотности воды при затоплении Кизеловских угольных шахт и других объектов. Возможно, точка согласия лежит в признании положения восстановленного уровня подземных вод на от метках ниже естественных на определенной части затопленного шахтного поля или в рассмотрения рудничного стока на ликвидированных объектах в отдаленной перспекти ве.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 8 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.