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:     | 1 |   ...   | 3 | 4 || 6 | 7 |   ...   | 8 |

«Министерство образования и науки Российское Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уральский ...»

-- [ Страница 5 ] --

Продолжение таблицы 3. 1 2 3 4 5 3 1958 -1994 гг. 54-490 Подземная отработка рудных тел в Шахтный водоотлив: рН = 4,3 - 6,8;

сухой остаток Нет 36 лет коренных породах (Гумешевский -1,0-3,0 г/л;

SO42- - 0,3–1,6 г/л;

Ca2+ - 120-400 мг/л;

рудник) на гор. 54, 100, 145, 195, F – 2-9 мг/л.

250,310, 350, 410, 490, соединяющих Подземные воды за пределами рудного поля:

шахты Георгиевская, Южная и Капи- рН = 6-7;

сухой остаток - 0,23 г/л;

SO42- - 70- тальная мг/л;

Ca2+ - 30-50 мг/л 1995-2000 гг. - Мокрая консервация Подземные воды на шахтоизливе: Выход 2 5 лет шахтных рН = 6,0;

сухой остаток 2,0 - 3,0 г/л;

SO4 - 1,9 г/л;

Ca2+ - 640 мг/л;

F – 2,6 мг/л. вод на 4 2000-2004 гг. - Разведка медистых глин поверх 4 года ность с 2004 г. 50-100 Подземное выщелачивание медистых земли по настоящее глин серной кислотой время Прямым признаком цикличности горнорудного производства служит вскры тие старых затопленных горных выработок. Информация о подобных «находках»

имеется в отчетах по разведке и освоению не только Гумешевского, но и Березов ского, Турьинского и Шиловского месторождений. На территории Дегтярского техногенеза, уже реализовано как минимум три горнорудных цикла.

Последующее горнодобывающее производство осуществляется на том же самом или сопряженном с ним в разрезе или на площади месторождениях. Как было продемонстрировано на территории Гумешевского техногенеза (см. п. 3.1), множественность горнорудных циклов приводит к усугублению проявлений техно генеза, в том числе, на его пассивной стадии.

Концептуальная модель горнорудного техногенеза с учетом цикличности горного производства, представляется автору в следующем виде (Рисунок 3.20).

Рисунок 3.20 - Концептуальная (эвристическая) модель горнорудного техногенеза Выводы по главе Заключая рассмотрение техногенеза постэксплуатационной стадии, выделим основные положения.

1. На постэксплуатационном этапе горнорудного производства на Урале формируется комплекс специфических природно-техногенных процессов состав ляющих пассивную стадию техногенеза горнопромышленного профиля. В состав комплекса входят гидрогеологические, инженерно-геологических, геохимические и прочие опасные геологические процессы, проявляющиеся в специфических усло виях (гидрогеологических, инженерно-геологических, геофизических, водохозяй ственных) и ландшафтах.

2. Разделение стадий техногенеза целесообразно производить по степени ак тивности техногенных факторов на активную (период эксплуатации) и пассивную (постэксплуатационный период) стадии.

3. Горнопромышленный техногенез на Урале имеет признаки цикличности, когда в границах одной зоны на одном или нескольких сопряженных месторожде ниях производятся горные работы в различной исторической последовательности, образуя горнорудные циклы путем смены техногенных условий природно техногенными и снова техногенными.

4. Разработана концептуальная модель горнопромышленного техногенеза, отражающая соотношение в исторической перспективе энтропии геогенеза и раз личных стадий техногенеза.

ГЛАВА 4. ПОДЗЕМНЫЕ ВОДОНОСНЫЕ СИСТЕМЫ В УСЛОВИЯХ ТЕХНОГЕНЕЗА ГОРНОРУДНОГО ПРОФИЛЯ Гидрогеологическая структура (ГГС), являясь совокупностью элементарных ГГТ (гидрогеологических тел, например, водоносных горизонтов и пластов), есть неотъем лемый элемент подземной водоносной системы. Она определяет внутренние свойства подземной водоносной системы (ПВС) и является её ядром (см. пп. 1.4.1). Разделение понятий гидрогеологической структуры и подземной водоносной системы принципи ально важно для оценки глубины техногенного воздействия на подземную гидросферу.

Техногенез может изменять условия формирования подземных вод (внешние компоненты ПВС), приводя к изменению текущих характеристик подземных вод, на пример, их истощению или загрязнению, обычно носящих временный характер. Если мы извлекаем подземные воды из скважины (создавая депрессионную воронку) изменя ется режим и баланс подземных вод. Но после устранения источника воздействия (пре кращение извлечения или добычи подземных вод), ПВС достаточно легко возвращается в исходное состояние. Подобная ситуация классифицируется автором как обратимое техногенное воздействие (Рисунок 4.1а). При этом ГГС сохраняет свой природный тип водоносности внутри ПВС.

Когда техногенное воздействие преобразует пустотное пространство геологиче ского тела (определяющее его водоносность), например, при механическом нарушении скального массива горными работами, это приводит к необратимым (структурным) из менениям всей ПВС (Рисунок 4.2б). Ниже попытаемся продемонстрировать, что в этом случае вернуть гидрогеологическую систему в исходное состояние, в том числе, на пас сивной стадии горнорудного техногенеза, практически невозможно. Она приобретает природно-техногенные свойства.

Конечно, рекультивация может минимизировать последствия техногенного вме шательства и сделать их безопасными для жизнедеятельности человека. Однако на уча стках, где создан особый тип природно-техногенных ГГС, будут сформированы и со ответствующие им природно-техногенные ПВС. Последние от природных могут отли чаться только внутренним строением (структурой) или же, дополнительно, и внешними связями (условиями питания и разгрузки).

Рисунок 4.1 - Состояние подземной водоносной системы (ПВС) при разном уровне техногенного воздействия: а) обратимом, б) необратимом Точки: 1 – природная ПВС;

2 – техногенная ПВС;

3 – природно-техногенная ПВС В точках 1, 2 и 3 на рисунке 4.1 тип ПВС, соответственно, природный, техноген ный, природно-техногенный с соответствующим положением уровня подземных во:

статическим (Не), динамическим (Нд), восстановленным (Нв).

Наиболее очевидным признаком структурного воздействия техногенеза, необ ратимо изменяющим природные ГГС и ПВС, являются техногенные водоносные гори зонты, приуроченные к геологическим тела техногенного (не природного) происхожде ния (например, техногенные литологические слои) [70].

4.1. Техногенный водоносный горизонт и его типы Техногенный водоносный горизонт (ТВГ), как элементарная гидрогеологическая структура (тело), для обособления в разрезе должен обладать, в первую очередь, собст венным техногенным геологическим телом [117, 118, 159]. Техногенные источники пи тания могут обводнять и грунты естественного сложения, но эти объекты нельзя клас сифицировать как техногенные водоносные горизонты, поскольку при оценке запасов подземных вод подобные источники составляют антропогенный вид ресурсов подзем ных вод природной системы [17].

Типичным примером техногенных водоносных горизонтов являются обводнен ные насыпные грунты, подстилаемые менее проницаемыми породами естественного сложения (см. пп. 1.4.1) [109,158]. Источниками питания техногенных горизонтов, по мимо природно-климатических факторов, могут являться упомянутые выше техноген ные источники воды (утечки из водонесущих систем и коммуникаций, инфильтрацион ные потери из водохранилищ и накопителей отходов и т.п.), относимые к антропоген ным ресурсам.

С точки зрения гидрогеологической характеристики массива горных пород при сутствие любых техногенных грунтов изменяет природные водообменные процессы на участке их размещения. Они становятся частью подземной гидросферы, новым техно генным гидрогеологическим телом, с которым вступает в постоянное взаимодействие природная подземная водоносная система [71-74].

Неупорядоченная неоднородность насыпных грунтов определяет аномальную проницаемость (коэффициенты фильтрации) и её пространственную изменчивость.

Движение воды здесь происходит не только по порам, но и по отдельным элементам разреза грунтов. Например, по захороненным в насыпных грунтах трубам и прочим тех ногенным каналам. Подобный эффект был обнаружен на территории Чусовского узла железной дороги в Пермской области при исследовании причин нефтяного загрязнения р. Чусовой, где основная часть загрязненного инфильтрационного потока транспортиро валась по старому захороненному канализационному коллектору [255].

Наоборот, горнотехнические мероприятия создают упорядоченную высокую тех ногенную проницаемость массива скальных пород, отличающегося в природных усло виях крайне высокой анизотропией фильтрационных свойств. Техногенные пустоты мо гут нарушать природные водоразделы и создавать новые, техногенные (техногенная пе реброска подземного стока), тем самым обусловливая изменение естественной структу ры фильтрационного потока (см. пп. 3.1).

Таким образом, обводненные техногенные геологические тела (насыпные, на мывные, перемещенные, нарушенные горными работами и др.) проявляются как особые гидрогеологические образования со специфическими фильтрационными свой ствами.

Основываясь на литературных и эмпирические данных, разработана типизация техногенных водоносных горизонтов, которая позволяет систематизировать наиболее часто встречаемые техногенные гидрогеологические объекты на территории Урала (за пределами криолитозоны). Выделение природно-техногенных гидрогеологических сис тем в криолитозоне имеет существенные особенности, не рассматриваемые в настоящей работе [5]. В основе авторской типизации ТВГ заложен генетический принцип, учиты вающий характер техногенного воздействия, обусловившего их появление [74].

Выделяется пять типов техногенных водоносных горизонтов (Таблица 4.1): ком мунальный (территории селитебной застройки), промышленный (территории промпло щадок), гидротехнический (акватории крупных гидротехнических систем с насыпными и перемещенными грунтами), отвальный (намывные или насыпные техногенные грун ты), шахтный (нарушение сплошности массива горных пород подземными выработка ми).

1. Коммунальный тип техногенных водоносных горизонтов наиболее разнообра зен по причинно-следственным связям с техногенными факторами. Он появляется в слое насыпных грунтов при выполнении планировочных мероприятий, в основном, на селитебных территориях. Исходя из уральского опыта, мощность слоя насыпных отло жений может составлять 2-3 м, при глубине уровня подземных вод менее 1,0 метра.

Таблица 4.1 - Типизация техногенных водоносных горизонтов Тип Участки Основные факторы Отличие от природ распространения формирования ных гидрогеологи Номер Название ческих тел I Комму- Территории насе- Насыпные грунты, бар- - водовмещающие нальный ленных пунктов ражирующий эффект от породы;

инженерных сооружений, - фильтрационные II Промыш- Площадки промыш утечки из подземных свойства (проницае ленный ленных предприятий коммуникаций мость);

- источники и интен III Гидротех- Акватория гидро- Насыпные грунты и сивность питания;

нический технических подпор со стороны гид - степень взаимосвя сооружений ротехнического соору зи с поверхностны жения ми водами;

IV Отваль- Отвалы, свалки, на- Техногенные грунты и - химический состав ный копители отходы, создающие до и температура под промышленных и полнительные ёмкости земных вод иных отходов для накопления атмо сферного питания V Шахтный Техногенные под- Техногенная (сверхвысо земные полости (вы- кая) проницаемость мас работки) различного сива назначения На рисунок 4.2 а представлен пример техногенного водоносного горизонта ком мунального типа, который сформирован в толще насыпных грунтов в пределах селитеб ной зоны г. Каменск-Уральский Свердловской области. Питание горизонта осуществля ется как за счет атмосферных осадков, так и различного рода коммунальных утечек, что обеспечивает постоянную обводненность его отложений. Разгрузка грунтового потока происходит в нижележащие водоносные слои на участках «гидрогеологических окон» в перекрывающем водоупоре. При их отсутствие возникают условия для подтопления се литебной зоны. Отепляющее воздействие городской застройки приводит к тому, что температура воды в техногенном горизонте составляет 12-150С, достигая 20 и более гра дусов при аварийных ситуациях на теплотрассах.

2. Пример техногенного водоносного горизонта промышленного типа, описанно го автором на территории одного из крупнейших промышленных предприятий Среднего Урала, демонстрируется на рисунках 4.2б и 4.3.

Рисунок 4.2 – Техногенные водоносные горизонты:

а) в селитебной зоне г. Каменск-Уральский (тип I);

б) в пределах промплощадки метал лургического завода (тип II);

в) в зоне влияния Верх-Нейвинского водохранилища (тип III):

1 – техногенный водоносный горизонт;

2 – насыпной грунт;

3 – песок;

4 – гравийно галечниковые отложения;

5 – глина;

6 – дресвяно – щебенистые отложения с суглинистым за полнителем;

7 – известняк;

8 – отложения коры выветривания;

9 – сланцы;

10 – уровень под земных вод: а) современный, б) естественный;

11 – коллектор и направление утечек Рисунок 4.3 - Постоянно действующий техногенный родник на промплощадке крупного металлургического предприятия Урала Мощность техногенных образований, представленных продуктами металлургиче ского передела и занимающих приводораздельное положение, достигает 6 м. При этом, морфометрия техногенных образований может обеспечивать несовпадение техногенно го водораздела с естественно-природным подземным водоразделом.

Ресурсы горизонта формируются за счет утечек из канализационной системы предприятия (постоянная составляющая) и атмосферными осадками. За счет высокой ёмкости техногенных грунтов происходит аккумуляция последних в периоды повышен ной водности и последующая сработка ёмкостных запасов в меженные периоды. Раз грузка техногенного горизонта осуществляется сосредоточенно в отрицательных мик роформах рельефа в виде серии техногенных родников.

Резко аномальным является химический состав воды техногенного горизонта. На пример, на рассмотренном объекте значения рН ниже в 2-3 раза аналогичного показате ля в подстилающей природной водоносной зоне сланцев среднего палеозоя, составляю щего 6,0-7,0 ед.

3. Мощности до 4-5 м имеют техногенные горизонты гидротехнического типа на территории старых промышленных площадок (Рисунок 4.2, в). Это традиционный уральский способ промышленной организации территории, реализуемый на Урале с XVIII века. Производственные мощности, а часто и накопители отходов располагаются в естественных речных руслах в нижнем бьефе водохранилища. Насыпные техногенные, а также перемещенные естественные грунты используются для планировки поверхности земли перед её застройкой, а поверхностный сток отводится по искусственному каналу.

Инфильтрационные утечки из водохранилища и производственные утечки обеспечива ют постоянную обводненность слоя техногенных грунтов, а при наличии слабопрони цаемого основания в техногенных отложениях практически всегда происходит развитие процессов подтопления.

4. Четвертый отвальный тип объединяет разнообразные техногенные водоносные горизонты, среди которых выделяются своей мощностью и емкостью тела действующих и рекультивированных золошлакоотвалов (Рисунок 4.4).

Рисунок 4.4 - Техногенный водоносный горизонт отвального (IV) типа на золоотвале, расположенном на Среднем Урале. Геологическое тело представлено толщей золошла ков: Vпов и V е – направление поверхностного и естественного подземного стока, соответствен но;

H н и H е –положение нарушенного и естественного уровня подземных вод;

ed и PZ – гене зис и геологический возраст литологических слоев горных пород На стадии эксплуатации золоотвалов техногенные горизонты в их теле формиру ются как за счет жидкой фазы отходов, так и за счет атмосферного питания. На стадии рекультивации степень обводненности техногенных образований в отвалах зависит от степени их фильтрационной изолированности. Например, золошлаковые отходы при их рекультивации обычно не перекрываются слабопроницаемым противофильтрационным экраном. При мощности отходов 50-60 м и более они представляют собой огромную ре гулирующую ёмкость, стабилизирующую в течение года инфильтрационное питание на занимаемой ими площади [38]. Часто в основании золонакопилей образуются техноген ные родники сезонного действия. Например, подобная разгрузка техногенного водонос ного горизонта наблюдалась автором на старом золоотвале № 1 Красногорской ТЭЦ в г.

Каменск-Уральский. Обособленное геологическое тело, собственная область питания, транзита и разгрузки, а также специфический химический состав позволяют относить обводненную часть таких объектов к техногенным водоносным горизонтам.

К этой же категории следует относить подземные воды в отвалах горных пород, хвосто- и шламохранилищах, и в других накопителях твердых и полужидких отходов [243].

5. Особое место занимает пятый шахтный тип ТВГ, обусловленный техногенной нарушенностью водовмещающих пород подземными горными выработками, зоной сдвижения горных пород и высокой техногенной трещиноватости (Рисунок 4.5). Геоло гическое тело горизонта представлено техногенной пустотностью и трещиноватостью (ЗВТ, по [152]). Следует отметить, что к шахтному типу могут быть отнесены участки недр, нарушенные глубокими эксплуатационными скважинами, если они изменяют ус ловия взаимосвязи между водоносными горизонтами, комплексами и даже этажами. На пример, при отсутствие или недобросовестном ликвидационном тампонаже эксплуата ционных и разведочных скважин на нефтяных и газовых месторождениях [9], месторо ждениях промышленных, термальных и минеральных подземных вод. Технические ме роприятия, проводимые для создания в недрах хранилищ газа или отходов и т.п., сопро вождаемые подземными взрывами, изменяющими гидрогеологическую структуру под земного пространства, также формируют техногенные водоносные горизонты «шахтно го» типа.

Шахтный тип ТВГ непосредственно связан с техногенезом горнорудного профиля пассивной стадии, хотя и остальные типы (коммунальный, промышленный и отвальный) встречаются на территории горнопромышленного техногенеза. Практически на всех описанных выше остановленных рудниках Урала имеются нерекультивированные (или частично рекультивированные самозарастанием) отвалы горных пород, на большинстве – хвосто-, шламохранилища и шламоотстойники (отвальный тип ТВГ), промплощадки (Левихинский и Пышминско-Ключевской и др. рудники), коммунальный (территория городов Березовский, Верхняя Пышма и др.).

По характеру формирования техногенных геологических тел техногенные водо носные горизонты можно объединить в две группы: насыпные (перемещенные, отваль ные и намывные [204]) и изъятые (шахтные). Первая группа объединяет 4 генетических типа, в рамках которых насыпные грунты на стадии рекультивации территории теорети чески могут быть удалены, что обеспечит ГГС возвращение в исходное природное со стояние.

Рисунок 4.5 - Техногенный водоносный горизонт в затопленных подземных горных выработках Богомоловского рудника (тип V):

1 – техногенный водоносный горизонт;

2 – глинисто-щебенистые отложения;

3 – порфириты;

– шахтный ствол Богомоловского рудника;

5 - современный уровень подземных вод;

6 – горные выработки: а) находящиеся на линии разреза, б) проецируемые;

7 – добыча (извлечение) воды Ко второй группе относится ТВГ шахтного типа, формирующийся в результате техногенной нарушенности массива подземными горными работами. Ликвидировать подобную техногенную аномалию невозможно, ввиду наличия не только горных выра боток, но и измененного пространства вокруг них - зоны высокой трещиноватости (ЗВТ). По некоторым оценкам ЗВТ сопоставима с геометрией выработанного простран ства и удваивает ее объем [152]. Кроме того, горные выработки обычно связаны водо проводящими каналами с зоной сдвижения, что создает очень сложную конфигурацию техногенного горизонта указанного типа, мощностью 50-100 м и более [106, 107].Распространенным на Урале является и комбинированный способ отработки при взаимосвязи подземных и открытых горных выработок [201].

Горнотехническое производство предусматривает два основных способа ликви дации подземных горных выработок закладкой выработанного пространства: пустой по родой и цементацией [177, 202]. Существуют и другие, менее апробированные на Урале способы, такие как, гидрозакладка выработанного пространства.

На Дегтярском руднике при отработке запасов на этаже 550-490 м применялась сплошная выемка участков их трех-пяти камер. Отработанные в определенной последо вательности камеры заполнялись породой от проходки капитальных и подготовитель ных выработок, которая в камерах первой очереди укреплялась вяжущими растворами, а в камерах второй очереди проиливалась глинистой пульпой [176]. Технология не позво ляла заполнять камеры на всю высоту, оставляя верхнюю часть (2-3 м), которая дозак ладывалась грубыми запесоченными глинами гидроспособом. Отмечались случаи об рушения потолочины, например, в камере 3-5, объемом которой составлял 21,6 тыс. м3.

Для её окончательного гашения был использован метод гидрозакладки грубыми запесо ченными глинами из карьера: песок – 54 %, глина – 46-16%, илистые фракции – менее 30 %. Коэффициент фильтрации материала составлял 30 мм/ч (0,72 м/сут).

Закладка выработанного пространства, в том числе, зоны сдвижения разрушенной породой (или отходами производства) или их гидрозакладка делает техногенный водо носный горизонт менее контрастным относительного окружающего массива горных по род по фильтрационным характеристикам, лишает его главной особенности - гиперпро ницаемости. Но полная его ликвидация не достигается, в виду отличая трещинного типа проницаемости исходного массива от поровой пустотности ликвидированных техноген ных каналов. Кроме того, насыпные грунты в массиве скальных пород особенно под вержены подземной водной эрозии, в первую очередь, на этапе затопления [96].

Цементация выработанного пространства, изоляционные перемычки из деревобе тона, напротив, создает водонепроницаемые участки (барражи), увеличивая фильтраци онную неоднородность массива. Ввиду дороговизны последнее мероприятие реализует ся ограниченно.

Таким образом, активный техногенез разного профиля приводит к образованию техногенных водоносных горизонтов, часть разгрузки которых происходит на специфи ческих участках - техногенные родники. Техногенные водоносные горизонты как эле ментарные ячейки, включаются в состав природной ГГС, создавая в совокупности с ни ми природно-техногенные гидрогеологические структуры и подземные водоносные сис темы. При малых размерах местных бассейнов подземного стока (от 1-3 до 10 км2) крупные шахтные поля и связанные с ними ТВГ шахтного типа могут изменить пара метры всего бассейна ПВС 4-го и выше порядков.

В силу вышесказанного, наличие техногенных водоносных горизонтов может рассматриваться как основной признак техногенного структурного преобразования гидрогеологических условий, носящего практически необратимый характер.

Шахтные техногенные водоносные горизонты характерны для участков техноге неза горнорудного профиля, обычно не ликвидируются при остановке и затоплении рудников и унаследовано переходят на пассивную стадию техногенеза каждого горно рудного цикла.

4.2. Природно-техногенные подземные водоносные системы горнорудного профиля Как уже отмечалось выше (см. пп. 1.4.1), техногенные подземные водоносные системы на стадии активного техногенеза отличаются доминирующей ролью техноген ных факторов, которые замещают на время своего существования природные. В частно сти при горнорудном производстве рудничный водоотлив, цель которого заключается в осушение отрабатываемой части массива горных пород, определяет техногенный режим и баланс подземных вод. А.Я. Гаев обращает внимание на увеличение подземной хими ческой денудации в пределах депрессионных воронок дренажных систем и водозаборов в 1,5 раза [31].

При остановке рудников техногенные режимообразующие факторы воздействия на подземные воды полностью или частично (при сохранении водоотлива в санитарном объеме) ликвидируются на фоне сохранения техногенных режимообразующих условий техногенных водоносных горизонтов, природно-техногенные ГГС и соответствующих им природно-техногенных ПВС. Сообразно типу техногенеза (см. гл. 1.1) природно техногенные ГГС и ПВС на затопленных рудниках целесообразно относить к горноруд ному профилю.

Доказательством функционирования на территории Урала природно-техногенных ПВС служат следующие признаки, установленные при выполнении поисково оценочных и разведочных гидрогеологических работ, ведении экологического монито ринга объектов, комплексных инженерно-геологических изысканиях:

1. Специфические участки разгрузки (техногенные родники). А.С. Юркиным (2007) при участии автора исследовалось влияние техногенеза на родниковый сток Среднего Урала [92]. Установлено, что урбанизация и техногенез обусловливают при влечение и скопление на локальных участках избыточных водных ресурсов, подъём уровня подземных вод и формирование техногенных родников. При прекращении гор ных работ и рудничных водоотливов происходит как восстановление ранее осушенных родников, так и формирование новой техногенной родниковой разгрузки через шахт ные стволы, провалы, скважины [91].

По характеру формирования техногенные родники объединены в три группы: во первых, участки техногенного вскрытия самоизливающимися скважинами водоносных горизонтов естественного сложения и естественного химического состава, режим кото рых подчиняется естественно-климатическим закономерностям;

во-вторых, шахтные техногенные родники, представляющие собой точки излива шахтных вод, подчиняю щиеся естественной изменчивостью климатических факторов;

в-третьих, антропоген ные и подотвальные родники с насыпным характером водовмещающих пород. Антро погенные родники формируются в пределах городских агломераций в толще насыпных грунтов, главным образом, естественного генезиса. Подотвальные родники являются участками разгрузки техногенных водоносных горизонтов, формирующихся в теле сва лок, отвалов и других объектов складирования твердых техногенных образований.

2. Изменение гидрохимических параметров родникового стока. Техногенный род никовый сток второй группы (шахтные техногенные родники) в региональном плане яв ляется крайней степенью метаморфизма естественного подземного стока. На изливе кислые шахтные воды колчеданных месторождений (рН от 2 до 4) имеют сульфатный магниево-кальциевый состав с минерализацией от 0,5 до 2,0 и более г/л. Суммарные концентрации железа, цинка и других техногенных элементов могут достигать 10-15 % моль. Даже после прекращения горных работ химический состав шахтных вод затоп ленных рудников длительное время имеет специфические свойства.

Аномальность химического состава подземных вод в техногенных водоносных горизонтах может формироваться и за счет взаимодействия агрессивных атмосферных осадков с техногенными грунтами и техногенно-нарушенными массивами горных по род. Даже если насыпные отложения представляют собой перемещенные естественные горные породы, они могут включать разнообразные не утилизированные отходы. По следние будут разрушаться и посредством растворения, углекислотного выщелачивания и других процессов, обогащая подземные вод нетипичными ингредиентами [243, с. 92 101].

3. Участки со специфическим питанием подземных вод формируются, например, на территориях горнорудного техногенеза. Изменяется площадь питания за счет созда ния новых техногенных водоразделов и интенсивность атмосферного питания ПВС в результате увеличения коэффициента просачивания на подработанных пространствах вплоть до полного поглощения атмосферных осадков (Крылатовский, Богомоловский, Дегтярский и др. рудники). Межбассейновое перераспределение водных ресурсов также способствует увеличению приходной части баланса подземных вод (Верхне Пышминский, Березовский и др. рудники).

Цепочка техногенного преобразования ПВС, установленная на уральских горно рудных объектах, состоит из трех звеньев. Исходное состояние – природные ПВС с до минированием природных режимообразующих факторов. Стадия активного техногенеза при доминировании техногенных режимообразующих факторов соответствует техно генной ПВС. На пассивной стадии техногенеза формируются природно-техногенные ПВС, в которых могут доминировать или сосуществовать как природные, так и техно генные режимообразующие факторы (Таблица 4.2).

Как следует из содержания таблицы 4.2, различия между природными и техно генными ПВС заключаются как в режимообразующих условиях (соответственно, при родные и природно-техногенные), так и в структуре фильтрационного потока, соответ ственно, природная или техногенная (депрессионная воронка).

Таблица 4.2 - Классификация подземных водоносных систем для условий техногенеза горнорудного профиля Признаки Группа Природные Техногенные Природно техногенные Режимообразующие условия ПВС 1.Генезис водовмещаю- Природный Природно- Смешанный щих пород (геологическо- техногенный го тела) (смешанный) 2. Генезис проницаемости « Тот же « водовмещающих пород и зоны аэрации 3.Тип ГГС « « « Режимообразующие факторы ПВС 4. Генезис источников пи- Природный или Техногенный или Природный или тания смешанный смешанный смешанный 5. Интенсивность атмо- То же То же Смешанная сферного питания и взаи мосвязи с поверхностны ми водами 6. Структура фильтраци- Природная Техногенная « онного потока, включая области питания, транзита и разгрузки 7. Взаимодействие «вода - « Техногенное или « порода» смешанное Техногенные ПВС отличаются от природно-техногенных, в основном, отсутстви ем в последних техногенных источников питания и депрессионной воронки.

Природно-техногенные ПВС пассивной стадии техногенеза отличаются от при родных смешанным характером структуры фильтрационного потока и проницаемости (природно-техногенная ГГС).

В природных гидрогеологических структурах на Урале проницаемость горных пород имеет поровый, трещинный, трещинно-жильный и трещинно-карстовый типы [144]. Водоносные элементы обладают коэффициентом фильтрации свыше 1 м/сут, от носительно водоносные – от 0,01 до 1,0 м/сут, относительно водоупорные – от 0,0001 до 0,01 м/сут. При коэффициенте фильтрации менее 0,0001 м/сут гидрогеологическое тело признается водоупором [117]. В техногенных водоносных горизонтах пористость анало гичных минеральных отложений за счет их меньшей уплотненности всегда выше. Спе циально уплотненные слои техногенных пород, выполняющие роль противофильтраци онных экранов с заданно низкими коэффициентами фильтрации, и различного рода дамбы, не могут рассматриваться как элементы природно-техногенных ГГС, поскольку являются структурными элементами инженерных сооружений.

Гиперпроницаемостью обладают искусственные подземные каналы в ТВГ шахт ного типа, а также специфические техногенные включения в насыпных грунтах (трубы и т.п.). Характер проводимости последних подобен трещинно-жильной или трещинно карстовой проницаемости, отличаясь от них только пространственной упорядоченно стью. Экспериментально индикаторными исследованиями установлены скорости под земного потока в одной из затопленных штолен на месторождении флогопита на юго западном побережье озера Байкал. Они составили 25 м/час при скорости в зоне тектони ческого нарушения в массиве карбонатных пород в том же районе 28 м/час [170], что указывает на сходный режим фильтрации. Вероятно, в обоих случаях существуют уча стки как турбулентного (сифонного), так и ламинарного режима.

Отличительным свойством природно-техногенной ПВС является относительно высокая скорость водообмена. На затопленных шахтных полях водообмен ускоряется за счет техногенной нарушенности поверхности земли и увеличения проницаемости зо ны аэрации. Увеличение коэффициента инфильтрации изменяет количественное соот ношение между поверхностным и подземным стоком в пользу последнего, иногда до полного поглощения поверхностного стока. Благодаря этому атмогенные факторы про никают на большую глубину.

В указанных условиях химический состав подземных вод природно-техногенных ПВС, являющийся результатом их взаимодействия с водовмещающими породами, все гда отличается от природного. Загрязнение на территории горных работ, вторичные лег корастворимые минералы в затопленной техногенной зоне аэрации и в пределах шахт ного поля обнаружены на ряде вышеописанных горнопромышленных объектах в затоп ленных шахтах Кизеловского угольного бассейна, Кузбасса, Донбасса, Приморья, Саха лина, колчеданных месторождений Польши, Урала и др.).

Таким образом, участок завершенной горной отработки представляет собой спе цифическую подземную водоносную систему с частичным или полным преобразовани ем внешнего и внутреннего массо- и энергообмена, характерного для геогенеза [72].

Учитывая цикличность горнодобывающего производства эволюцию подземной гидросферы можно представить в виде цепочки:

Природные условия: природная ГГС и ПВС 1-ый горнорудный цикл:

1.1. Активная стадия техногенеза (техногенная ПВС1 + природно-техногенная ГГС1) 1.2. Пассивная стадия – (природно-техногенная ГГС1 + ПВС1) 2-ой горнорудный цикл:

2.1. Активная стадия техногенеза (техногенная ПВС2 + природно-техногенная ГГС2) 2.2. Пассивная стадия – (природно-техногенная ГГС2 +ПВС2) И так далее последовательно на всех горнорудных циклах.

Пространственными границами техногенных ПВС являются границы их области питания, а техногенных ГГС - контуры распространения геологических тел техногенно го генезиса. Они могут охватывать либо часть, либо всю исходную гидрогеологическую структуру третьего или ещё более мелкого порядка.

Пространственные границы природно-техногенных ГГС и ПВС всегда соответст вуют границам техногенных и техногенно-измененных геологических тел (контур под работанного подземными горными выработками пространства и т.п.).

Учитывая долговременность существования природно-техногенных систем необ ходимо предусматривать их отражение на общих гидрогеологических картах масштаб ными (при масштабе 1:10 000-1:25 000) или внемасштабными знаками. Это позволит объективно учитывать сложившуюся гидрогеологическую ситуации при планировании вторичного хозяйственного освоения территории и для текущих многоцелевых гидро геологических прогнозов. В общем случае масштаб картирования нарушенных ПВС за висит от общих гидрогеологических условий территории и геометрического размера природно-техногенной структуры [80].

4.3. Гидродинамические аспекты формирования природно-техногенных ПВС Формирование природно-техногенных ПВС происходит при остановке рудника и его «мокрой» консервации или ликвидации (МЛ). «Сухая» консервация (ликвидация) горного предприятия производится при отработке полезного ископаемого выше уровня подземных вод или в толще многолетнемерзлых пород. В других случая применяется исключительно редко из-за значительных затрат по поддержанию водоотлива.

Отключение дренажных систем при «мокрой» остановке рудника может быть полным, реже, частичным (см. п. 3.1), что вызывает, соответственно, полное или час тично затопление подземными водами подземных выработок.

При описании процесса затопления и выхода шахтных вод на поверхность земли в первую очередь возникает вопрос: что это за вода? Можно ли её называть «шахтной»

или это подземная вода? Согласно [35], «вода шахтная – это подземная (иногда поверх ностная) вода, проникающая в горные выработки на угольных месторождениях и оказы вающая определенное влияние на условия вскрытия и эксплуатации месторождений по лезных ископаемых. При разработке рудных месторождений подземные воды называют рудничными…». Принимая вышесказанное и учитывая, что затоплению подвергаются не только отработанные, но и поставленные на консервацию шахтные поля, предпола гаемые к отработке в некоторой перспективе, прошедшие через горные выработки под земные воды есть не что иное, как воды шахтные или рудничные. Дополнительным ар гументов в пользу признания подземных вод в затопленных выработках и изливающих ся на поверхность земли водами рудничными служит изменение их химического состава при прохождении через горные выработки (см. п. 1.2 и 3.1).

Процесс заполнения водой подземных горных выработок производиться само произвольно, поэтому более правильно квалифицировать процесс как самозатопление, чтобы отличить от принудительного обводнения горных выработок с помощью специ альных мероприятий. Например, путем подведения по каналам речных вод в техноген ные полости, как это реализовано на Ежовском месторождении подземных вод для ис кусственного восполнения ресурсов месторождения [8].

4.3.1. Самозатопление шахтных полей Исходя из балансовых составляющих водопритоков к затопляемым горным выра боткам, шахтные поля и их ПВС могут располагаться на участках двух типов [64-66]:

Тип I – приводораздельный, когда шахтное поле расположено на приводораздель ном склоне (например, Валуевский рудник). В самозатоплении участвуют исключитель но динамические ресурсы подземных вод (естественное и антропогенное питание), ко личество которых оценивается модулем подземного стока. Транзитный речной сток со ставляет менее 10 % водопритока и с учетом погрешности оценок и вариативности при тока может не рассматриваться.

Тип II – придолинный. В этом случае горные выработки располагаются вблизи рек (например, Березовский рудник), сток которых привлекался дренажным водоотли вом в количествах от 25 и более % общей величины водоотлива (СУБР и др.).

Аналогично по принципу присутствия или отсутствия взаимосвязи с поверхност ными водами разделяют месторождения подземных вод при оценки их запасов [17].

Способ отработки месторождения также влияет на условия питания и разгрузки ТВГ шахтного типа. По этому признаку в пределах природно-технических ПВС предла гается выделить два подтипа:

- подтип а – отработка выполнялась только подземным способом;

- подтип б – отработка выполнялась наиболее распространенным комбинирован ным способом и в пределах подработанных территорий сформированы провалы в зонах сдвижения. Карьерные выемки и провалы чаще всего имеют непосредственную гидрав лическую связь с подземными горными выработками (Крылатовский, Дегтярский и др.

рудники).

Разница между подтипами стирается, если при отработке подземным способом формируются зоны сдвижения и провалы. Во всех случаях в процессе самозатопления можно выделить два хронологических этапа, соответствующих в разрезе последова тельному затоплению гидродинамических зон А и Б (Рисунок 4.6) дренирования [89].

Границей между зонами служит положение местного базиса дренирования, обусловив шее природное вертикальное гидродинамическое зонирование массивов горных пород в пределах Уральского складчатого пояса [22].

Рисунок 4.6 - Гидродинамические схемы самозатопления шахтных полей:

I – приводораздельный тип;

II – придолинный тип: IIа – шахтное поле;

IIб – шахтное поле и карьерная выемка, где H – избыточный напор;

А-Б – этапы затопления горных выработок.

Уровни подземных вод: 1 – статический;

2 – динамический;

3 – восстановленный при полном затоплении;

4 – поверхность дренирования;

5 – возможный излив шахтных вод;

6 – направление естественного потока подземных вод;

7 – поверхностный и подземный водораздел;

8 – движе ние воды в горных выработках Для ПВС приводораздельного типа темпы заполнения выработок в зонах А и Б определяются исключительно законами гидродинамики: убывающий напорный гради ент, проницаемость массива горных пород, включая, горнотехнические характеристики, при относительно постоянных источниках водопритока. В Придолинное расположение ПВС обусловливает различие в заполнении горных выработок в зонах А и Б изменением балансовых составляющих водопритока: ниже по верхности дренирования в зоне А самозатопление выработок происходит за счет всех источников, которые были вовлечены в результате длительных дренажных мероприя тий: естественные динамические и привлекаемые ресурсы, в том числе транзитный по верхностный сток. Ориентировочная скорость затопления зоны А может быть рассчита на по эксплуатационному модулю дренажного водоотлива и объема извлеченной горной массы и составляла по эмпирическим данным 1 и более м/сут. (см. п. 1.2).

После пересечения базиса дренирования восстановленным уровнем подземных вод происходит замедление его подъёма в результате прекращения инфильтрации реч ного транзитного стока. Предельно низкая скорость подъема в верхней части зоны Б оп ределяется из величины модуля подземного стока природно-техногенной ПВС и по эм пирическим данным составляет 0,1 и менее м/сут.

Отключение поверхностных источников при заполнении горных выработок нахо дит отражение в графиках восстановления уровня при сравнении двух объектов МЛ на Среднем Урале: Дегтярский медноколчеданный и Валуевский железорудный рудники, отработка которых велась комбинированным способом (Рисунки 4.7 и 4.8). Геотехно генные системы рудников отличаются объемами выработанного пространства и источ никами формирования рудничного водоотлива (см. пп. 2.7 и 3.1). Дегтярская ПВС отно сится к придолинному типу, а Валуевская – к приводораздельному.

Меньшая скорость подъема уровня на начальном этапе затопления Валуевского рудника отражает худшие условия восполнения ресурсов подземных вод. Форма графи ка более пологая, поскольку приводораздельное положение определяет участие в ба лансе водопритока к зонам А и Б ниже и выше базиса дренирования исключительно ди намических ресурсов, что делает процесс восстановления уровня более равномерным.

На последнем этапе восстановления уровня скорости его подъема выравниваются с Дег тярским и составляют 0,13 м/сут (Рисунок 4.8).

Шх. Валуевская Дегтярский рудник 200 2 линейный фильтр (Шх. Валуевская) Абсолютная отметка УПВ, м Дата 19 1 1 1 1 1 1 1 1 1.07 9.01 9.07 9.01 9.07 9.01 9.07 9.01 9.07 9.01 9.. 19. 19. 19. 19. 19. 19. 19. 19. 19. 20. 00 95 96 96 97 97 98 98 99 - - - Рисунок 4.7 – Динамика восстановления уровня подземных вод при МЛ Дегтярского и Валуевского рудников 4, Дегтярский рудник Шх. Валуевская 3, Скорость подъёма уровня, м/сут Степенной (Дегтярский рудник) Степенной (Шх. Валуевская) 2, 1, 0, 0 92 356 571 683 806 979 1060 1169 1293 Время от начала остановки водоотлива, сут Рисунок 4.8 – Эмпирические скорости подъема уровня при МЛ Дегтярского и Валуевского рудников и аппроксимация их степенными трендами В обводнении Дегтярского рудника заметную роль играл транзитный речной сток (около 50 % [264]). Крутая ветвь графика затопления (примерно до 300 сут.) соответст вует затоплению зоны А со скоростью от 4,5 до 1,0 м/сут. Выполаживание - указывает на снижение напорных градиентов и исключение из баланса поверхностного транзитно го стока. Подземные выработки рудника был затоплены через 1300 сут.

При закрытии угольных шахт в Донбассе в военные годы и после средняя ско рость затопления изменялась от 1,8 м/сут на начальном этапе до нескольких сантимет ров – на верхних горизонтах. В целом изменение скорости подъёма уровня происходило практически по логнормальному закону. Общее время затопления шахт до статического уровня варьировало в широких пределах от 170 до 1890 суток [230, 242].

В Кузбассе продолжительность затопления шахтных полей зависела от величиной водопритока и объёма выработанного пространства и составляла от 365 до 1460 суток [138].

Опыт затопления Вадимо-Александровского рудника в г. Краснотурьинске на Се верном Урале показывает, что большую роль в формировании восстановленного уровня могут играть системы горного дренажа. По данным С.Г. Дубейковского, частично со хранившаяся старая вассерштольня, имеющая выход к долине р. Турья, обеспечивает отвод шахтных вод от территории города и предотвращает развитие процессов подтоп ления.

4.3.2. Формирование излива шахтных вод на поверхность земли Одним из важнейших элементов природно-техногенной ПВС являются особенно сти участков разгрузки, в частности, формирование сосредоточенных выходов шахтных вод на поверхность земли, так называемые техногенные родники шахтного типа. Излив шахтных вод может происходить либо через устья шахтных стволов или других верти кальных горных выработок (скважин и т.п.), либо из карьерных выемок и провалов, осо бенно если они имеют прямую гидравлическую связь с затопленными горными выра ботками и занимают более низкое гипсометрическое положение (см. п. 3.1). Для управ ления процессами шахтоизлива создают специальные дренажные скважины (Рисунок 4.9).

Рисунок 4.9 – Дренажная скважина на Ломовском руднике Формирование шахтоизлива происходит после полного восстановления уровня подземных вод во всей природно-техногенной ПВС. Взаимосвязанная система подзем ных горных выработок обладает существенно более высокой, относительно пород есте ственного сложения, водопроводимостью. Водопроводящие подземные каналы в сово купности с массивом горных пород можно представить как своеобразную систему с «двойной пористостью». Горные выработки, как высоко водопроводящие зоны, дрени руют блоки пород естественного сложения.

На карте гидроизогипс взаимосвязанная система подземных техногенных каналов оконтуривается как единая подземная депрессия. Например, на гидрогеологической кар те Гумешевского месторождения, затопленные подземные горные выработки на востоке отделяются техногенным водоразделом от побережья Северского пруда (Рисунок 4.10).

Рисунок 4.10 – Схематическая гидрогеологическая карта Гумешевского месторождения (А.И. Заболоцкий, Н.В. Савеня, 2002 г.) Подобный рисунок гидроизогипс характерен для массивов закарстованных пород или при наличии зон интенсивной трещиноватости (трещинно-жильные воды), когда высокопроницаемые участки являются подземными дренами для окружающих пород и формируют зоны транзита подземных вод. На выходе из таких зон, создается избыточ ное давление, формирующее сосредоточенные выходы - родники. Самым известным яв ляется карстовый источник на Юге Франции (Fontaine de Vaucluse). На Урале имеется также немало примеров: на западном склоне – источник Кургазак, на восточном – род ник Деевский и др. [76].

Механизм сосредоточенного выхода шахтных (рудничных) вод аналогичен фор мированию природной родниковой разгрузки [92]. При превышении избыточного напо ра (Н) отметок поверхности земли (см. Рисунок 4.6), наличия водопроводящих каналов на линии напора происходит выход шахтных вод через вертикальные каналы: шахтный ствол, карьерная выемка, провал, скважина или просто ЗВТ.

Избыточный напор в ПТ ПВС горнорудного профиля представляет собой раз ность абсолютных отметок уровня воды в дрене (Ндн), установившемся после полного затопления подземных горных выработок, и естественного статического уровня (Нде):

Н = Ндн - Нде (4.1) Превышение восстановленного уровня над статическим в точке выхода (шахтном стволе, карьере, участке отрицательной микрорельефе или другом вертикальном канале) обеспечивается дополнительными ресурсами подземных вод, которые поставляются взаимосвязанной системой техногенных подземных каналов (Рисунок 4.11). Естествен ная лента тока формирует водосборную площадь размером Fe, а система подземных горных выработок в ПТ ПВС существенно расширяет её - (Fн + Fе).

Так, на Дегтярском руднике площадь, занимаемая карьером шх. «Колчеданной», в естественных условиях имеет область питания около 0,35 км2. За счет подземных гор ных выработок область питания увеличивается до 2 км2, захватывая и поставляя к карь еру ресурсы даже смежных речных бассейнов (см. Рисунок 3.2). На затопленном Гуме шевском руднике область питания ствола шахты «Южная - Вентиляционная», где про исходит выход шахтных вод, по сравнению с естественными условиями, увеличилась более чем в 10 раз [173].

Величина избыточного напора зависит от дополнительного объёма воды, посту пающей к участку разгрузки за счет дренирующего влияния подземных горных вырабо ток:

Н = f (Qе / Qн), (4.2) Qе = М п.с. Fe, (4.3) Qн = М п.с. Fн, (4.4) Рисунок 4.11 - Соотношение области питания шахтного ствола при наличии (Fн) и отсутствие (Fe) затопленных горизонтальных подземных горных выработок:

1 – шахтный ствол;

границы области питания: 2 – естественной;

3 – после затопления шахтного поля;

направление движения подземных вод: 4 – в естественных условиях;

5 – после самозатоп ления где Qe и Qн – расход потока подземных вод, обеспеченный естественным питани ем и поступающий к участку выхода шахтных вод, соответственно в естественных и на рушенных горными выработками условиях;

Fе и Fн – площадь области питания соотвественно в естественных и нарушенных горными выработками условиях;

М п.с. – модуль подземного стока данной территории.

При сохранении естественных объемов поверхностного питания восстановленные уровни в зоне транзита природно-техногенной ПВС, в силу гиперпроницаемости ТВГ шахтного типа, могут иметь более низкие, чем естественные статические отметки. На участках разгрузки восстановленные уровни всегда превышают естественные статиче ские отметки уровня. В балансовом отношении выход шахтных вод на поверхность зем ли обеспечивается дополнительным питанием в результате увеличения площади водо сбора. При обводнении провалов или карьеров, занимающих гипсометрически более высокое положение как на Гумешевском и Крылатовском рудниках (см. Рисунки 3.11 и 3.13), питание участков излива обеспечивается прямым гидродинамическим напором и может иметь форму грифона. Именно такие условия наиболее опасны и создают обшир ные зоны подтопления (Крылатовский рудник).

Однако горнорудный техногенез очень часто создает условия для увеличения пи тания природно-техногенной ПВС относительно природных условий. Более интенсив ная инфильтрация атмосферных осадков происходит практически на всей подработан ной зоне, увеличивая долю подземной составляющей в общем водном балансе террито рии. При высоком уровне урбанизации могут присутствовать антропогенные ресурсы, ещё более увеличивая приходную часть баланса ПТ ПВС (Пышминско-Ключевской и Березовский рудники).

Присутствие антропогенных источников питания (производственные и комму нальные утечки), бассейновое перераспределение водных ресурсов повышает модуль в формулах (4.3) – (4.4) и способствует росту избыточного напора. Авторская ме М п.с.


тодика предварительной оценки влияния антропогенных факторов на формирование природно-техногенных условий излагается ниже в главе 6.

На приводораздельных участках с высокими градиентами естественного потока вероятность выхода шахтных вод на поверхность земли невысока. К такому типу отно сятся, например, затопленные Валуевский и Ново-Ежовский рудники [66]. Уклоны есте ственного потока подземных вод в зоне разгрузки на придолинных участках обычно ниже, что увеличивает вероятность того, что избыточный напор в техногенном канале (шахтный ствол или карьер) будет достаточным, чтобы произошел излив шахтных (руд ничных) вод на поверхность земли.

Таким образом, подземные горные выработки действуют как саморегулирующий ся подземный дренажный узел. Высокие скорости движения подземных вод в системе затопленных подземных горных выработок в результате их техногенной гиперпрони цаемости и дополнительные водные ресурсы на участке природно-техногенной ПВС формируют новые - техногенные, отличные от естественных, пути транзита и участки разгрузки подземных (шахтных) вод. На излив «работает» вся подземная ёмкость затоп ленных горных выработок. Выход шахтных вод может происходить как через один, так и несколько каналов (шахтные стволы, карьеры, провалы, зоны трещиноватости), что определяется, во-первых, абсолютными отметками поверхности земли на устьях выход ных каналов, во-вторых, пропускной способностью каналов и избыточным напором [66]. В первую очередь, излив произойдет в наиболее пониженных местах и через кана лы с лучшей проницаемостью.

4.4. Техногенное преобразование ПВС на Дегтярском месторождении В качестве примера преобразования природных гидрогеологических условий на стадии активного и пассивного техногенеза рассмотрим территорию Дегтярского мед ноколчеданного месторождения (Рисунок 4.12, 4.13).

В природных условиях участок месторождения представляет собой частную водо сборную площадь р. Исток, на которой питание подземных вод формируется за счет ин фильтрации атмосферных осадков на всей выделенной площади в границах поверхност ных водосборов. Ресурсы р. Вязовки находятся за пределами области питания. Разгрузка подземного стока осуществлялась субаквально и родниковым стоком в долине р. Исток и его притоков (речки Дегтярка и Сухарка).

Гидравлическое единство водоносных зон обеспечивалось через зону грунтового потока, которая для всех формационных комплексов пород имеет единые области ин фильтрационного питания и разгрузки. При всей сложности структуры фильтрационно го потока в ненарушенных условиях зеркало подземных вод в сглаженном виде повто ряло рельеф земной поверхности: на водоразделах уровни подземных вод в интрузив ном комплексе пород залегали на глубине 15-20 м, приближаясь к поверхности земли в направлении участков разгрузки до 1-3 м (см. п. 2.7).

Водопроводимость природных гидрогеологических структур изменяется от со тых долей до 10 м2/сут на приводораздельных склонах и до 100 и выше м2/сут в зонах локализации подземного потока.

Рисунок 4.12 - Основные элементы природной, техногенной и природно-техногенной ПВС в зоне Дегтярского горнорудного техногенеза:

1 – ствол шахты;

контуры: 2 - области питания шахтного водоотлива;

3 - зоны сдвижения гор ных пород;

4 - депрессионной воронки от шахтного водоотлива;

5 - область питания карьера шахты “Колчеданная”: а) в природных условиях;

б) в нарушенных условиях (ПТ ПВС);

6 - ли ния поверхностного водораздела;

7 – направление движения подземных вод: а) в природных условиях;

б) при шахтном водоотливе;

в) в ПТ ПВС;

8 – область питания Дегтярской ПТ ПВС;

9 – горизонталь рельефа земной поверхности и её значение, м Хорошие условия дренирования при преобладающем силикатном составе водо вмещающих коллекторов обусловили повсеместное формирование на Урале гид рокарбонатных вод с минерализацией от 0,1 до 0,5 г/л. Микроэлементы в подземных во дах присутствуют широко, особенно на площади вулканогенных пород.

Рисунок 4.13 – Схематический гидрогеологический разрез Дегтярского месторождения 1 - рудное тело;

трахит-базальтовая формация D1-2: 2 - туфы, туффиты, туфопесчаники, туфос ланцы, туфоалевролиты основного и смешанного состава;

3 - известняки;

контрастная базальт риолитовая формация (D1);

4 - туфы разнообломочные и туфобрекчии андезитового и андезито дацитового состава, туффиты, туфопесчаники, туфосланцы, порфириты диабазовые, спилиты;

- сланцы;

контрастная формация (S1l1-2): 6 - порфириты, спиллиты, их лавобрекчии и туфы;

ин трузивные образования;

7 - плагиогранит-порфиры;

8 - туфогенные породы, измененные мета соматическими процессами;

9 - серпентиниты;

10 - контур зоны сдвижения;

11 - контур депрес сионной воронки шахтного водоотлива;

12 - границы между разновозрастными геологическими образованиями;

13 - литологические границы;

14 - направление движения подземных вод: а) в природных условиях;

б) при шахтном водоотливе;

в) природно-техногенная ПВС.

В естественных условиях их концентрации значительно ниже нормируемых для питьевых вод. Фоновый химический состав подземных вод собственно Дег тярского медноколчеданного месторождения не известен.

Таковы общие гидродинамические и гидрохимические черты природной гидрогеологической структуры рассматриваемого месторождения.

Активная горнодобывающая деятельность на месторождении (стадия активного техногенеза) продолжалась с 1914 по 1995 г. (см. п. 3.1). К моменту затопления (1995 г.) максимальная глубина отработки составила 610 м. Для месторождения была характерна многогоризонтность и разбросанность горных работ. Разнообразие горнотехнических условий, сложная морфология рудного тела и склонность руд к самовозгоранию обусло вили применение различных систем разработки: слоевое, подэтажное обрушение, подэ тажные штреки, этажное принудительное обрушение. При применении указанных сис тем разработки выемка рудных блоков производилась наиболее полно, но при этом мо нолитность вышележащих горных пород была нарушена, и на поверхности земли были образованы зоны обрушения. На поверхности земли размеры шахтного поля контроли руются контуром зоны сдвижения горных пород, которая в меридиональном направле нии имеет длину 4,6 км при ширине в центральной части 1 км. В пределах зоны сдвиже ния вдоль рудного тела в рельефе прослеживалось 12 зон обрушения глубиной от 3 до 18 м [261, 271].

Водоотлив шахтных вод Дегтярского рудника производился через стволы шахт «Капитальная-1» и «Капитальная-2» производительностью 200-300 м3/час. На поверхно сти земли шахтная вода поступала в пруд-накопитель, далее на цементационную уста новку для извлечения меди и затем сбрасывалась в русло р. Дегтярки, далее на север по р. Исток в Ельчевский пруд-отстойник и Волчихинское водохранилище.

Проходя шахтное поле, поверхностный сток р. Дегтярки поступал в цех нейтрали зации, где обрабатывался известковым молоком. По приблизительным оценкам Урал гидроэкспедиции в среднем за год с шахтными водами выносилось около 8,2 тыс. т сульфатов. Температурный режим шахтных вод был постоянным и изменялся от 5,60С на гор. 70 м до 12,50С на гор. 490 и 610 м. В пределах зон интенсивного окисления мед но-колчеданных руд температура кислых шахтных вод повышалась до 18-290С.

Таким образом, в пределах контура депрессионной воронки Дегтярского место рождения была сформирована система высокопроводящих каналов, связывающих по верхность земли с подземными горными выработками до глубины 610 м Площадь де прессионной воронки (техногенной гидрогеологической структуры) составляла около км2 и выходила на юг в смежный речной бассейн р. Вязовка за линию природных под земных водоразделов.

Балансовые составляющие рудничного водоотлива включали не только инфильт рационное питание атмосферными осадками, но и частичное поглощение стока рек Дег тярка, Исток и Вязовка. Дополнительный водоприток к горным выработкам обеспечива ло усиление инфильтрационного питания на участках сдвижения поверхности земли на висячем (восточном) блоке месторождения.

На поверхности земли и в техногенной зоне аэрации на всю глубину отработки месторождения был сформирован техногенный литогеохимический ореол, который обо гащен не только рассеянной сульфидной минерализацией, но и легкорастворимыми тех ногенными минералами медноколчеданной ассоциации: гидросульфаты железа, меди, цинка и др. [7, 94, 247]. Активная аэрогенная циркуляция проникла в глубокие горизон ты, которые в природных условиях были изолированы от проникновения атмосферного воздуха.

После остановки рудника и полного захлапывания депрессионной воронки был сформирован выход шахтных вод, через емкость карьера Колчеданный (см. Рисунок 3.2). Если в природных условиях площадь питания участка, занимаемого карьером шах ты «Колчеданной», составляла не более 0,2 км2, то при наличии субмеридиональной взаимосвязанной системы подземных горных выработок на участке карьера излив обес печивается подземным питанием с территории не менее 2 км2. Кроме того, за счет тех ногенной нарушенности зоны аэрации увеличилось инфильтрационное питание подзем ного стока. Такое увеличение может достигать величины общего стока или приближать к нему [257].

В результате питание участка карьера относительно природных условий выросло в 30 раз, что обеспечивает круглогодичный излив шахтных вод. По данным [261], ин фильтрационное питание на территории месторождения в современных условиях соот ветствует его интенсивности в период рудничного водоотлива. Однако по сравнению с техногенным этапом сократился объем поглощения транзитного поверхностного стока рек Дегтярка, Исток и Вязовка. Годовой цикл гидрологических наблюдений, показал, что техногенный родник, изливающийся из карьера, находится под решающим влияни ем сезонных климатических факторов. Показатели химического состава рудничных также отличаются от эксплуатационных, как будет показано далее (глава 5).


Как следует из вышеизложенного, принципиальные отличия в гидрогеологиче ских условиях Дегтярского рудника в природном состоянии, при его эксплуатации и после демонстрируются на гидрогеологических карте (Рисунок 4. 12) и разрезе (Рисунок 4.13). Текущие гидрогеологические условия затопленного рудника могут быть описаны с позиции ПТ ГГС (ёмкость шахтного поля) и ПВС, включая площадь питания и раз грузки до устья р. Ельчевка.

Выводы по главе 1. В результате активного техногенеза происходит образование техногенных во доносных горизонтов, которые рассматриваются как признак структурного преобразо вания ГГС и ПВС, носящего необратимый характер. Предложена типизация техноген ных водоносных горизонтов для условий Урала.

2. Горнорудный техногенез формирует техногенные водоносные горизонты, в первую очередь, шахтного типа, тем самым оказывая структурное преобразование при родных ГГС и ПВС. Техногенная перестройка проходит в две стадии: на активной ста дии техногенеза для конкретных целей создаются техногенные гидрогеологические тела (структуры), в режиме и балансе которых решающую роль играет техногенный фактор (техногенная ПВС);

на пассивной стадии - воздействие техногенных факторов прекра щается при сохранении нарушенных техногенезом условий: проницаемости массива горных пород, питания, транзита и разгрузки подземных вод. Последней стадии соот ветствуют природно-техногенные ГГС и ПВС, принципиально отличающиеся как от природных, так и техногенных предшественников. В их режиме и балансе доминируют природные факторы.

3. Гидродинамический прогноз самозатопления подземных горных выработок осуществляется с учетом: скорости подъёма уровня подземных вод;

времени полного затопления шахтного пространства;

предельного положения восстановленного уровня подземных вод;

вероятности излива шахтных вод и места этого излива. По скорости восстановления уровня выделяется два этапа, которые соответствуют затоплению двух гидродинамических зон: зона А – ниже естественного базиса дренирования (1м/сут. и более) и зона Б – выше естественного базиса дренирования (0,1 м/сут. и менее). Сниже ние скорости затопления осуществляется по зависимости близкой к логнормальной.

4. Сосредоточенный выход шахтных (рудничных) вод на поверхность земли оп ределяется избыточными гидродинамическими напорами в вертикальных элементах природно-техногенной ПВС. Создание избыточных напоров происходит за счет допол нительного питания, собираемого горизонтальными подземными выработками, рабо тающими по принципу «двойной» пористости. В результате гиперпроницаемости на ос тальной площади шахтного поля выше зоны разгрузки (зона транзита и питания) отмет ки восстановленного уровня могут занимать более низкие отметки, чем естественные статические. Рисунок гидроизогипс ПТ ПВС в границах ПТ ГГС соответствует услови ям бассейнов стока трещинно-карстовых и трещинно-жильных вод.

5. На примере Дегтярского рудника рассмотрена структурная трансформация гид рогеологических условий на конкретном объекте от природных к техногенным и при родно-техногенным.

ГЛАВА 5. ГИДРОХИМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПАССИВНОЙ СТАДИИ ГОРНОРУДНОГО ТЕХНОГЕНЕЗА НА УРАЛЕ В классическом определении техногенез представляет собой нарушенный горным производством геохимический тип ландшафта (см. п. 1.1). Дальнейшая эволюция ланд шафтной сферы определяется установившимся на пассивной стадии горнорудного тех ногенеза особым типом водообмена [5], который, как было показано в предыдущей гла ве, имеет собственные параметры, выражаемые через границы области питания;

отметки восстановленного уровня подземных вод;

вертикальные и горизонтальные скорости геофильтрации;

модули подземного стока и инфильтрационного питания;

измененные области транзита и разгрузки ПТ ГГС и ПВС.

Но и этого мало. На территориях остановленных рудников накоплены техномине ральные образования [191, 218], сформированы техногенные литогеохимические орео лы (как на поверхности земли, так и в подземном пространстве), геохимические барьеры и т.п. [94]. Не вдаваясь в сложный мир физико-химического взаимодействия в системе В.И. Вернадского (вода – порода – газ - органическое вещество) в новых природно техногенных условиях, рассмотрим основные закономерности и геохимические процес сы, присущие ПТ ПВС горнорудного профиля в условиях геологических структур Ура льского складчатого пояса.

Приоритетное место по интенсивности геохимического воздействия на лито- и гидросферу Урала занимают медноколчеданные, железорудные и угольные месторож дения, имеющие сульфидную минерализацию. Как известно [7, 28, 94, 129, 166, 203], при их вскрытии и отработке с изменением окислительно-восстановительной обстанов ки происходит активная мобилизация рудного материала поверхностными и подземны ми гидрохимическими потоками. В результате появляются агрессивные кислые суль фатные воды, как на поверхности, так и в подземных горизонтах, формирующие гидро химические опасности и геологические риски [ 68, 113, 128, 141, 254, 258, 261-264, 270 272, 281].

В работах Р.Ф. Абдрахманова, Г.А. Вострокнутова, А.И. Вишняка, О.Н. Грязнова, Э.Ф. Емлина, В.Н. Катаева, В.Г. Попова, Л.С. Табаксблата и др. рассмотрены вопросы формирования кислых рудничных вод, их геохимический спектр, особенности техно генного массопереноса на Урале и другие геохимические аспекты горнопромышленного техногенеза [3, 25, 56, 94, 95, 113, 208, 209].

Параллельно в отвальных комплексах и под землей в зоне недостаточного насы щения протекают процессы кристаллизации рудных элементов (железа, меди, цинка и др.) формированием легкорастворимых твердых фаз сульфатов в пространствах, при мыкающих к зонам окисления и выщелачивания, иногда проявляющихся выцветами, бляшками и т.п. на стенках горных выработок, в примыкающим к ним трещинам [7, 13, 21, 62, 86, 180, 246]. Иногда разрушение сульфидных минералов сопровождается повы шением температуры воздуха и горных пород в очистных блоках и даже подземными пожарами [111].

Известно, что техногенез вызывает вторичное минералообразование [232]. В ус ловиях пассивной стадии горнорудного техногенеза, в первую очередь, при смене окис лительно-восстановительных условий, например, при выходе рудничных вод на поверх ность земли происходит образование гидроморфных комплексов, аналогичных отваль ным, и другие процессы [94, 129, 180]. Их изученность явно недостаточна.

Самозатопление подработанных территорий принципиально изменяет условия сернокислотного выщелачивания и вторичного минералообразования. На поверхности земли при полном или частичном сохранении отвальных комплексов и другой техноми неральной инфраструктуры условия сернокислотного выщелачивания и после остановки рудников изменяются незначительно. Поэтому в настоящем разделе сделан акцент на формирование химического состава подземных вод затопленных рудников - рудничных вод пассивной стадии горнорудного техногенеза.

5.1. Эмпирические данные о химическом составе рудничных вод пассивной стадии Представление о химическом составе рудничных вод затопленных подземных рудников, в основном получено по результатам опробования их излива из подземных горных выработок, выполненное в разные периоды функционирования природно техногенных ПВС. На отдельных объектах длительность наблюдений за изменчивостью химического состава рудничных вод представлена в многолетней перспективе (до лет), что позволило автору разработать типовые геохимические модели формирования подземного стока на объектах горнорудного техногенеза.

Геохимическая обстановка в исследованных природно-техногенных подземных водоносных системах в значительной степени определяется рудной специализацией объекта, сообразно которой ниже выполнена систематизация эмпирического материала.

5.1.1. Колчеданные рудники Урала В естественных условиях преимущественное распространение в пределах зелено каменной полосы Урала имеют гидрокарбонатные кальциево-магниевые воды, что оп ределяется процессами углекислотного выщелачивания. На участках развития сульфид ной минерализации возникают процессы сернокислотного выветривания и появляются сульфатно-гидрокарбонатные и гидрокарбонатно-сульфатные подземные воды, что ис пользуется в качестве поискового критерия рудных минерализаций [28].

Ломовский и Карпушихинский рудники принадлежат к Карпушихинскому мед но-цинковому рудному полю. На Ломовском руднике с 2000 года происходит излив рудничных вод из провала, который с 2003 года организован специальной дренажной скважиной, вскрывающей первую от поверхности горизонтальную горную выработку (см. пп. 3.1). Рудничный сток имеет кислую среду (рН около 5), сухой остаток 0,5 г/л, концентрацию сульфатов – 330 мг/л содержание Cu 0,18 мг/л, Cd – 0,013 мг/л. Формула химического состава воды имеет облик, типичный для медноколчеданных месторожде ний:

SO4.86 Cl Ca54 Mg27 Na7 Fe2.6 Zn4 K1 Mn1 NH4.1. (5.1) Судя по гипсометрическому положению точек излива на Ломовском руднике, он каптирует сток только самой верхней части природно-техногенной ПВС, принимающей активное инфильтрационное питание. Поэтому рудничные воды имеют слабокислые кислотно-щелочные условия и невысокое солесодержание. При отсутствии атмосферно го питания, как показывают материалы Уралгидроэкспедиции за декабрь 2011 года, ми нерализация воды на изливе возрастает до 1,0 г/л при концентрации сульфатов более 0, г/л [286].

Кроме сосредоточенных выходов на территории рудника встречены мочажины, указывающие на наличие ещё и рассредоточенной разгрузки шахтных вод. Вероятно, направление нерегулируемого потока рассредоточенной разгрузки подчиняется природ ным закономерностям и происходит в русло ближайшей естественной дрены – р. Пьян ки (левобережного притока р. Ломовки). В декабре 2011 г. в створе ниже Ломовского рудника минерализация речной воды, по данным гидрохимического опробования Урал гидроэкспедиции [286], возрастала от 60 до 300 мг/л, концентрация сульфатов – от 14 до 123 мг/л, при слабом закислении речных вод: рН уменьшался от 6,9 до 6,5 ед.

Изливающиеся воды из провалов над северным и южным шахтными стволами Карпушихинского рудника, закрытого более 40 лет назад, вместе со стоком Ломовского рудника отводятся в прудок-осветлитель, расположенный в верховьях р. Крестьянки.

При рН 2,8, сухом остатке до 0,75 г/л, концентрации сульфатов до 500 мг/л, содержании меди до 0,7 мг/л, кадмия до 0,14 мг/л, излив Карпушихинского рудника имеет более аг рессивный химический состав:

SO4.96 Cl3 NO3. Ca(36-46) Mg(18-22) H(15-23)Fe3. (5-10) Na5 Zn3 NH4.2 K1 Fe2.1Mn1. (5.2) Причина отличия геохимического облика рудничных вод Карпушихинского руд ника объясняется автором более низким гипсометрическим положением точек излива, что обусловливает большую глубину зоны дренирования природно-техногенной ПВС.

Выход рудничных вод с более глубоких горизонтов и создает повышенную кислотность среды и более высокие содержания кадмия, цинка и меди.

На соседнем Лёвихинском руднике при опробовании рудничных во в 2004 году затопление подземных выработок было еще не завершено [262]. Отметка восстановлен ного уровня составила 254 м. Рудничные воды имели сухой остаток 0,5 г/л, и невысокие концентрации сульфатов, цинка, меди, марганца и кобальта, соответственно, 260;

17;

6;

1,5 и 0,07 мг/л при сульфатном магниево-кальциевом облике. Особо выделялись кислот ностью и высокой минерализацией рудничные воды шахты Чекист (см. Рисунок 2.17), к которой приурочены отвальные комплексы пород, из которых в подземные выработки через провалы происходит инфильтрация подотвальных вод.

Как отмечают А.Г. Вострокнутов, А.И. Вишняк и др. [262, 263, 270], подотваль ные воды (точнее рассолы) Левихинского рудника имеют весьма высокую токсичность.

Их минерализация достигает 50 г/л, жесткость 78 мг-экв/л, рН – 1,9. Практически весь анионный состав представлен SO4 (99,6%), а катионный железом - Fe3+ (69,7%) и Fe2+ (10,2%). Фактически - это железный купорос.

Практически неограниченный доступ кислорода в тело отвала поддерживает окислительную обстановку, а высокие концентрации Fe3+ свидетельствуют о присутст вии тионовых бактерий вида Thiobacillus ferrooxidans. Трехвалентное железо является сильнейшим окислителем, которое окисляет сульфиды на порядки быстрее, чем кисло род воздуха [247]. При окислении трехвалентное железо переходит в двухвалентное.

Обратный же переход обеспечивают тионовые бактерии, являющиеся катализатором реакции окисления двухвалентного железа кислородом воздуха. Количество железа в растворе непрерывно растет, за счет окисления пирита.

Благодаря своей огромной окислительной способности подотвальные воды выще лачивают из пород отвала многие промышленно ценные компоненты. Например, содер жание меди в подотвальных водах достигает 561 мг/л, цинка 358 мг/л. При среднегодо вой величине разгрузки подотвальных вод на уровне 1,2 л/с, из них может извлекаться около 21 тонны меди в год и около 14 тонн цинка. Организация же специализированной технологической схемы отвального выщелачивания может увеличить объемы извлече ния ценных компонентов на порядок [124, 171, 233].

В результате поглощения приотвального стока рудничные воды на южном флан ге Левихинского месторождения практически повторяют их геохимический облик с рН 3,0-4,6 и минерализации 3,3-3,9 г/л. Очевидно, что под землей продолжается накопление гидроморфных образований железа и др. компонентов.

При полном самозатоплении подземных горных выработок рудника можно пред положить, что влияние отвалов локализуется приповерхностной зоной.

Период нестабильности химического состава рудничных вод в пределах природ но-техногенной ПВС наиболее полно зафиксирован геологической службой Дегтярско го рудника (ДРУ) при его затоплении [86, 88, 261, 271].

Откачные шахтные воды Дегтярского рудника обладали повышенной кислотно стью, которая в период эксплуатации 1940-1995 года составляла рН 1,81-4,13 при со держании меди от 0,876 до 0,158 г/л [264]. С 1936 г. дренажный рудничный сто пропус кались через две цементационные установки с целью извлечения меди. Затем воды сбрасывались в канал р. Дегтярка и обрабатывались известью на станции нейтрализации ниже слияния его с ручьем Сухарка. Нейтрализованные воды поступали в Ельчевский пруд-отстойник (см. пп. 3.1).

Долина речки Дегтярка за период отработки Дегтярского медного рудника пре терпела необратимую трансформацию, заключающуюся в изменении конфигурации речного русла, условий формирования речного стока (кольматация русловых осадков минеральными новообразованиями, снижение величины питания атмосферными осад ками, загрязнение грунтов в границах водосбора и т.п.).

После самозатопления техногенных полостей химический состав рудничного сто ка на изливе оказался сопоставим с рудничными водами, а по некоторым показателям, даже ухудшился: концентрация сульфатов возросла до 14,5 г/л при исходной на стадии эксплуатации 4,5-7,0 г/л, кадмия – до 1,1 мг/л и т.п.

На рисунках 5.1-5.4 представлен ход изменения рH, концентрации сульфатов, хлоридов, кальция, магния, железа общего, марганца, меди и цинка до затопления (в шахтном стволе) и после выхода рудничных вод из карьера шахты «Колчеданная».

3, 3, SO42 Концентрация, мг/л 2, Значение рН 2 линейный фильтр 2,00 5000 (рН) 1, 1, 0, 0,00 Период наблюдений Рисунок 5.1 - Концентрация сульфатов и значение рН в шахтных водах Дегтярского рудника до, в период и после его самозатопления:

Стрелки показывают начало: красная – затопления;

черная - излива Cl Ca2+ Mg2+ Концентрация, мг/л 2009 2011 2005 1997 1999 2001 1993 Период наблюдений Рисунок 5.2 - Концентрация хлоридов, ионов кальция и магния в шахтных водах Дегтярского рудника до, в период и после его самозатопления:

Стрелки показывают начало: красная – затопления;

черная - излива 2000 1800 45 Концентрация Mn, мг/л Концентрация Fe, мг/л 1600 1400 1200 1000 800 Fe общ.

600 Mn2+ 400 200 0 Период опробования Рисунок 5.3 - Содержание ионов железа (общего) и марганца в шахтных водах Дегтярского рудника до, в период и после его самозатопления:

Стрелки показывают начало: красная – затопления;

черная - излива 45 Концентрация цинка, мг/л Концентрация меди, мг/л 25 Cu2+ Zn2+ 20 0 Период наблюдений Рисунок 5.4 - Концентрация меди и цинка в шахтных водах Дегтярского рудника до, в период и после его самозатопления:

Стрелки показывают начало: красная – затопления;

черная - излива В течение первых двух лет после начала (до формирования излива), рудничные воды имели экологически более благополучные гидрогеохимические характеристики, нежели на стадии эксплуатации. Значение водородного показателя в 1998-1999 гг. при ближалось к 3,0, тогда как перед остановкой водоотлива на руднике этот показатель ус тойчиво составлял 2,5. Резко уменьшилась концентрация сульфатов и других показате лей химического состава воды.

В этой связи необходимо вспомнить данные польских коллег о мощном вторже нии поверхностных (атмогенных) вод при затоплении Гродзенских медных рудников, которое проявилось в длительном нарушении вертикальной изотопной зональности под земных вод с очевидной нестабильностью гидрохимических показателей (см. п. 1.2).

Учитывая вышесказанное и уверенность в достоверности материалов, предостав ляемых ДРУ, имеется только одно объяснение установленного кратковременного разу боживания рудничных вод на Дегтярском объекте. Это их многократное разбавление природными водами, заполнявшими горные выработки, особенно транзитным стоком р.

Исток и Вязовка, участвовавших в формировании рудничного водоотлива. После оста новки дренажных мероприятий, поглощаемый в пределах депрессионной воронки по верхностный «чистый» сток устремился к подземным горным выработкам, наряду с ла теральным притоком «чистых» подземных вод, формирующихся за пределами зоны техногенеза. Большой объем чистых природных вод на стадии заполнения депрессион ной воронки существенно разбавил формирующиеся в пределах техногенных выработок рудничные воды, обогащенные продуктами сернокислотного выветривания, формируя промывной режим геофильтрации.

Аналогичное разубоживание происходит ежегодно при обильном атмосферном питании природно-техногенной ПВС в весенний паводок. По данным годового цикла мониторинговых наблюдений, в независимый период зимней межени на выходе руд ничные воды имеют максимальные концентрации сульфатов и другие признаки серно кислотного выщелачивания, например, высокую концентрацию 2-хвалентного железа (Рисунок 5.5) [261]. Во время весеннего паводка происходит резкое снижение значений указанных гидрохимических показателей, поскольку в балансе излива преобладает при ток чистых природных вод.

SO 10000 Feобщ.

весенний паводок Fe2+ Fe3+ зимняя межень 0 31.05. 02.06. 09.08. 19.09. 18.01. 24.03. 04.05. 05.07. 27.10. Рисунок 5.5 – Сезонное изменение концентрации сульфат-иона и железа (мг/л) на выходе рудничных вод Дегтярского рудника в карьере шахты «Колчеданная»

[261] Итак, минимальные концентрации сульфатов были зафиксированы в октябре года в стволе шахты «Капиальная-2». Заполнение карьера шахты Колчеданной выходом рудничных вод началось в мае 1999 г. Закономерно, по мере подъема уровня подземных вод выше отметок региональной дрены (зона Б) из балансовых составляющих питания природно-техногенной ПВС последовательно отключались поверхностные источники, зона латерального притока «чистых» подземных вод также сокращалась (см. пп. 4.3.1).



Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 || 6 | 7 |   ...   | 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.