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 |   ...   | 4 | 5 || 7 | 8 |

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

-- [ Страница 6 ] --

Скорости заполнения карьера в верхней части зоны Б (Рисунок 4.6) снизились до минимума, также как и объем «чистого» природного питания природно-техногенной ПВС. Соответственно, это привело к закислению рудничных вод и росту концентрации сульфатов, кальция, магния, железа, меди и др. за счет увеличения в массобалансе руд ничных вод доли продуктов сернокислотного выщелачивания и растворения накоплен ной твердой фазы легкорастворимых сульфатов, в первую очередь, железа.

В результате в 2001-2003 гг. произошло достаточно резкое снижение величины рН рудничных вод на их выходе - до 2,0-2,3. Одновременно концентрация сульфатов возросла от 0,8-1,8 г/л до 5,0-8,7 г/л при исходной на стадии эксплуатации 4,5-7,0 г/л (Рисунок 5.1). Аналогично поведение ионов хлора, кальция и магния (Рисунок 5.2).

Изменение концентрации железа и марганца в этот период носит ещё более от четливый характер (Рисунок 5.3). От их исходных содержаний на стадии эксплуатации, соответственно, 500-1000 и 15-21 мг/л, концентрация сначала уменьшилась до 35 и 7- мг/л, а затем выросла до 1800 и 80 мг/л.

В отличие от предыдущих ингредиентов, концентрация меди и цинка на выходе рудничных вод Дегтярского шахтного поля, хотя и возросли, но значений эксплуатаци онного этапа не превысили (Рисунок 5.4).

Последние данные были получены автором при гидрохимическом опробовании в ноябре 2012 года. По всем выше обозначенным гидрохимическим показателям наблю дается тенденция их снижения при сохранении практически на том же уровне кислотно щелочной обстановки в растворах рудничных вод.

Таким образом, на Дегтярском руднике в начале процесса затопления произошло улучшение качества шахтных вод (за счет процессов смешения с большим объемом природных вод), а затем, при снижении доли природных вод в питании системы, - бы строе и резкое ухудшение в сторону концентрирования продуктов окисления и серноки лотного выщелачивания сульфидов.

Через 14 лет после полного затопления Дегтярской природно-техногенной ГГС, установлено снижение концентрации продуктов сернокислотного выщелачивания на выходе рудничных вод на поверхность земли. Современный химический состав подзем ных вод Дегтярского рудника в условиях затопленной техногенной зоны аэрации и гор ных выработок формируется при ведущем участии процессов сернокислотного выщела чивания пород при фильтрации атмосферных осадков через накопленные на территории рудника техногенно-минеральные образования и литогеохимические техногенные орео лы. Функционирующие в ёмкости отвалов техногенные водоносные горизонты питают поверхностный и подземный рудничный сток. Загрязнение поверхностной составляю щей можно проиллюстрировать гидрогеохимическими профилями, построенными по авторским материалам 2012 г. (Рисунки 5.6-5.8) [165].

Дегтярка Исток Концентрация C, г/кг Приотвальное озеро 200 Карьер Место впадения 0 0,5 1 1,5 2 2, Расстояние вниз по потоку реки L, км Рисунок 5.6 - Продольный профиль содержания Fe в донных отложениях в зоне Дегтярского техногенеза В указанных условиях протекание процессов окисления остаточной сульфидной минерализации неотработанных целиков рудного тела под землей и в отвальных пород характеризуется сходной интенсивность. Как можно увидеть на графике (Рисунок 5.7), общее солесодержание и концентрация сульфат-иона в приотвальном озере и на выходе рудничных вод (карьерное озеро) практически одинаковы. Рудничные воды по прежне му имеют сульфатный состав с величиной сухого остатка 3,5 г/л и более, высоким со держанием железа (250 мг/л), меди (до 0,14 мг/л) и др.

р. Дегтярка Концентрация С, мг/дм р. Исток приотвальное озеро карьерное озеро шх.Колчеданн 0 0,5 1 1,5 2 2, ая Рсстояние вниз по потоку, км Рисунок 5.7 - Продольный профиль содержания компонента SO42- в поверхностных водах в зоне Дегтярского техногенеза 3500 сухой остаток Концнтрация С, мг/дм проб р.Дегтярка 2500 сухой остоток проб р.Исток 1500 сухой остаток проб из карьер.озера сухой остаток проб из приотвального 0 0,5 1 1,5 2 2,5 озера Расстояние вниз по потоку реки, км Рисунок 5.8 - Продольный профиль содержания сухого остатка в поверхностных водах в зоне Дегтярского техногенеза Следует подчеркнуть, что некоторые из установленных в зоне Дегтярского техно генеза гидрохимических закономерностей соответствуют данным по затоплению шахт Кизеловского угольного бассейна, отличающегося высоким содержанием серного кол чедана. В частности, увеличение общего солесодержания шахтных вод сразу после ос тановки дренажа и затопления горных выработок;

последующее его снижение и стаби лизация на определенном уровне, превышающем природный. Как было описано выше (см. пп. 1.2), после начала излива шахтных вод на поверхность в шурфе 63 шахты «Бе лый Спой» величина сухого остатка за первые три года уменьшилась с 20,4 до 6 г/л, а в следующие 11 лет – до 1,5 г/л (см. Таблица 1.5). Затем наблюдается относительная ста билизация химического состава [106, 248].

На Пышминско-Ключевском медно-кобальтовом руднике поддерживается во доотлив из стволов шахт «Новая» и «Пышминско-Ключевская» для предотвращения подтопления инженерных объектов в г. Верхняя Пышма на глубинах около 100 м в среднем объеме 12 тыс. м3/сут. Химический состав шахтных вод, сбрасываемых в озеро Ключи, по данным Уралэлектромедь за 2005 г., имеет сухой остаток в диапазоне 0,7-0, г/л, концентрацию сульфатов 160-280 мг/л, содержание меди 0,3-0,9 мг/л при нейтраль ных значениях рН (2006 г.).

В пределах рудного поля в 700 м западнее дренажной шахты «Новая» создан во дозабор «Зона Поздняя», состоящий из трех сосредоточенных эксплуатационных сква жин глубиной 255 м. Скважины вскрывают горные выработки зоны «Поздняя» на гори зонтах 89, 150 и 210 м. Каждая скважина на глубине 150 м оборудована насосом ЭЦВ 10-60-350. На сегодняшний день водозабор «Зона Поздняя» является основным источ ником хозяйственно-питьевого водоснабжения города Верхняя Пышма с производи тельностью 2,0-2,5 тыс. м3/сут. и глубине динамического уровня 60-66 м.

Владельцем водозабора является городской МУП «Водоканал», которым оформ лена лицензия на право отбора воды. Водозабор имеет статус временного по причине невозможности организации ЗСО в полном объёме. Химический состав воды в водоза борных скважинах при околонейтральном значении рН (от 6,2 до 7,6) имеет суммарное солесодержание в пределах 250-550 мг/л, концентрацию сульфатов 30-75 мг/л и превы шающие в отдельные периоды питьевые ПДК концентрации нитратов, максимально в маловодный 2010 год – до 60-68 мг/л, что является влиянием селитебной застройки (коммунального загрязнение).

5.1.2. Гумешевское месторождение меди С геоэкологической точки зрения территория Гумешевского рудника отличается особой сложностью как в результате длительной истории освоения, так современного состояния объекта.

Метаморфизация химического состава подземных вод в историческом разрезе здесь происходила следующим образом (Таблица 5.1):

Таблица 5.1 - Химический состав подземных (шахтных) вод на Гумешевском месторождении меди на разных стадиях его освоения мг/л Исторический период и краткая Показатели химического состава S042- Са2+ Сухой остаток рН F характеристика техногенеза Естественное состояние 6-7 200-300 70 40-50 (до 1735 г.) - по аналогу Разработка окисленных медных 1,8-3,0 3000- 5000 2000- 4000 200-300 руд отдельными шахтами, карье рами (до 1900 г.) То же, но в присутствие твердых 2,0 до 14400 до 11400 - до отходов и сбросов сточных вод ПКЗ (до 1950 г.) Водоотлив Гумешевского 7,4-8,3 1000-1200 до 600 180-220 2, рудника (1993 г.) На шахтоизливе при затоплении 6,7 3600 1900 640 2, рудника (2001 г.) То же, но после начала ПВ 6,6 2800 1400 400-500 4, медистых глин (2006 г.) 1. Переработка покровных образований, доступ атмосферного кислорода к ниж ним слоям медистых глин на ранних стадиях отработки (с 1735 до 1900 г.) запустили механизм сернокислотного выщелачивания. В пределах горных выработок увеличение кислотности среды сместило химический состав подземных вод в сторону формирова ния сульфатных кальциевых рудничных вод. Отходы производства Полевского криоли тового завода, содержащие гипсоносные образования, ещё в большей степени повысили кислотность подземных вод на подработанной части месторождения, а также обогатили их фтором и фенолами.

2. Под влиянием многолетнего водоотлива на Гумешевском подземном руднике минерализация дренажных вод снизилась за счет интенсификации атмосферного пита ния, увеличения скорости водообмена и уменьшения обводненности верхней наиболее загрязненной части геологического разреза. С уменьшением концентрации сульфат-иона рудничные воды приобрели нейтральный и слабощелочной характер.

3. Затопление рудника в 1995 г. с обводнением заполненных отходами химзаво да горных выработок привело к формированию на изливе более агрессивных руднич ных вод: выросла концентрация сульфатов, снизилась величина рН.

Современное состояние техногенеза определяется: во-первых, изливом на по верхность земли кислых рудничных вод дополнительно загрязненных в результате складирования в течение длительного времени в техногенные полости Гумешевского рудника промышленных отходов криолитового (бывшего химического) завода, распо ложенного по соседству (см. Рисунок 2.12);

во-вторых, функционированием на террито рии затопленного рудника с 2004 года опытно-промышленного участка подземного выщелачивания (ПВ) меди из медистых глин с использованием концентрированной сер ной кислоты;

в-третьих, местонахождением месторождения в акватории Северского пруда, являющегося частью водосборной площади Волчихинского водохранилища. Все три источника имеют сходные геохимические маркеры, в первую очередь, сульфат-ион.

В указанных водохозяйственных и геоэкологических условиях, возникает про блема оценки допустимости использования метода ПВ, который в условиях уже имею щегося загрязнения может создать дополнительную техногенную нагрузку на природ ные воды, включая потенциальную угрозу для питьевого водоснабжения г. Екатерин бурга. Для её решения Недропользователем, дополнительно к технологическому трех зонному контролю, реализована система наблюдений за состоянием подземных и по верхностных вод (см. Рисунок 3.12). При её гидрогеологическом обосновании была при нята схематизация природно-техногенной гидрогеологической структуры: на востоке ограничение техногенным водоразделом между субмеридиональными подземными гор ными выработками и естественной дреной – Северским прудом;

водораздельные линии природно-техногенной ПВС на севере и западе соответствуют естественным поверхно стным водоразделам [173]. Транзитный сток подземных вод Гумешевской ГГС происхо дит по подземным дренам (горным выработкам) в направлении р. Железянка с разгруз кой в виде техногенных родников через ствол шахты Южная – Вентиляционная, прова лы и даже, периодически, через наблюдательные скважины (см. Рисунок 3.14). Подзем ный сток в границах природно-техногенной ПВС формируется за счет инфильтрации атмосферных осадков и утечек промышленных сточных вод на территории завода и на участке ПВ.

Параметры первой составляющей – инфильтрационного питания атмосферными осадками через загрязненные грунты зоны аэрации, характеризуются слабокислой сре дой и повышенным содержанием сульфатов, фтора, фенола, ионов железа, алюминия меди, кобальта, никеля и других металлов.

Подземный сток с территории завода работающего с 1933 года может быть оха рактеризован ливневой канализацией, в которой, по фондовым данным, содержится сульфатов до 2500 мг/л, фтора до 32,2 мг/л, натрия до 700 мг/л. При рН ниже 6,0 мине рализации до 21 г/л, общей жесткости до 82,0 мг-экв/л, окисляемости 17,6 мгО2/л хими ческий состав имеет сульфатный кальциевый облик [125, 278].

На участке ПВ в качестве выщелачивающего реагента используется высококон центрированная серная кислота. В технологических блоках достигается величина Еh на уровне 400-500 Мв при естественной в подземных горизонтах величине – 200-250 Мв.

Технологические растворы на участке ПВ при рН около 1 в 1000 и более раз превышают ПДКХПВ по концентрации железа и марганца (3 класс опасности), алюминия и кадмия ( класс опасности). Средние концентрации бериллия (1 класс опасности) и теллура ( класс опасности) составляют 700 ПДКХПВ, 100-200 ПДКХПВ достигают концентрации свинца, таллия и кобальта (2 класс опасности). От 10 до 50 ПДКХПВ составляют концен трации селена, мышьяка и кремния (2 класс опасности), а также элементов 3 класса опасности: никеля, цинка, ванадия и титана. Концентрация сульфат-иона достигала г/л.

В суперкислых растворах мобилизуются медь, железо, марганец, алюминий, кад мий, бериллий, теллур, свинец, таллий, кобальт и др. элементы – гидролизаторы. Боль шая часть растворов перехватывается специальными сооружениями участка ПВ. Однако некоторый объем выносится рудничным стоком за пределы участка ПВ.

При сходном сернокислотном воздействии всех трех источников формирования подземных вод, обогащенных сульфатами и элементами – гидролизаторами, включая условия в подземным горных выработках и полостях, основными маркерами растекания технологических растворов участка ПВ могут служить бериллий, кадмий, теллур, тал лий и кобальт [78]. Комплексным показателем влияния участка ПВ, на фоне слабокис лых растворов, также является величина рН. Особую опасность при реализации ПВ представляет угроза растворения кислых отходов завода, захороненных в горные выра ботки, фильтрационными потерями технологических растворов.

Для оконтуривания области растекания технологических растворов от участка ПВ наблюдательные скважины были сориентированы по трем субширотным профилям, пе ресекающим с севера на юг подземный поток Гумешевской природно-техногенной ПВС (см. Рисунок 3.13). По данным мониторинга подземных вод за 2006 г. концентрации химических маркеров в наблюдательных скважинах резко снижаются до фоновых зна чений за контуром месторождения, граничащего с массивом известняков на востоке и мраморов на западном рудном контакте.

Результаты гидрохимического мониторинга показали, что, несмотря на потери технологических растворов в подземные техногенные полости, происходит их быстрая нейтрализация на природных геохимических барьерах, а наличие выхода на поверх ность земли рудничных вод, позволяет объективно контролировать процесс загрязнения подземных вод, что особенно важно при возможном исчерпании защитных функций природных геохимических барьеров. Ликвидация точек излива потребует пересмотреть и усилить контрольную наблюдательную сеть.

На Урале имеются примеры, когда при затоплении медных рудников химический состав шахтных вод со временем приобретал практически естественный облик. К такого рода объектам можно отнести Турьинские медные рудники на Северном Урале и др.

Следует подчеркнуть, что на последних объектах сосредоточенного выхода рудничных вод на поверхность земли не установлено.

5.1.3. Золоторудные месторождения Урала На Крылатовском руднике подземные воды шахтного поля при его отработке были относительно однообразны по химическому составу, неагрессивны и приближены к фоновому естественному облику. Только в канавах и зумпфах рудника наблюдался некоторый рост минерализации до 0,3-0,43 г/л, сопровождаемый увеличением содержа ния сульфатов и хлоридов. Были выявлены признаки бытового загрязнения от жилой за стройки пос. Крылатовский на северном фланге шахтного поля появлением нитратов (до 24 мг/л) и надфоновыми концентрациями иона хлора.

После затопления шахтного поля в 2009 году автором были отобраны пробы воды в затопленном провале и поинтервально в доступной части ствола шахты «Централь ная» на глубинах 50, 125, 185 и 220 м (Рисунок 5.9) [101].

Как показали химико-аналитические исследования, выполненные в аттестованной лаборатории УрО РАН, в разрезе шахтного ствола до глубины 200 м химический со став остается стабильным и приближенным к показателям дренажных вод. Сухой оста ток составляет 300-350 мг/л. При нейтральной реакции среды и жесткости не более ммоль/л шахтные воды имеют гидрокарбонатно-сульфатный кальциевый состав при со держании молибдена 1,8 мкг/л:

HCO 3.74 SO 4.20Cl 3NO 3. M 0, 43. (5.3) Ca 70 Mg15 Na13K В пробе с глубины 220 м (доступность шахтного ствола ограничена) происходит резкий рост сухого остатка до 0,7 г/л, общей жесткости – до 10 ммоль/л, содержание мо либдена увеличивается до 4,0 мкг/л, при неизменном кислотно-щелочном водном ба лансе (рН 7,25 ед.). Концентрация нитратов едва достигает 1 мг/л, а общий химический состав имеет вид:

HCO3.73SO 4.24Cl M 0,93. (5.4).

Ca62 Mg 28 Na6 K Таким образом, на глубине около 220-250 м процесс вертикального перемешива ния воды в ёмкости ПТ ГГС затухает, вероятно, в результате затрудненной разгрузки в поверхностные дрены, что обеспечивает накопление в водном растворе солей, нехарак терных для природных гидрогеологических систем Урала (см. гл. 2.5). Повышенное со лесодержание может рассматриваться как признак перехода от зоны активного к зоне замедленного водообмена.

Как известно, пресные воды с минерализацией менее 0,5 г/л в Уральской сверх глубокой скважине встречены на глубинах вплоть до 2,5 км [259, кн. 2].

а) б) Рисунок 5.9 - Термограмма (а) и продольная схема расположения горных выработок Крылатовского рудника (б):

1– 3 – вертикальные горные выработки:

1- ликвидированная на момент консервации рудника;

2 -законсервированная;

3 – ликвидированная без бетонирования устья;

4 – место выхода шахтных вод (техногенный родник);

5 – предполагаемое «дно» провала По данным источника в интервале 267-1241,5 м установлено, что породы облада ют низкими фильтрационными свойствами с максимальной водообильностью в интер вале 1112-1120 м, коэффициентом водопроводимости 2,7 м2/сут, коэффициентом прони цаемости 0,4 мкм2.В результате откачек был получен пластовый флюид следующего со става:

СО3 44 SO4 27Cl М 0, 2 pH 9,7. (5.5) Na 93Ca Ниже по разрезу в интервале 2495-2505 м в вулканокластической толще трещино ватых туфов базальтов и андезибазальтов средний дебит притока возрос до 4,7 м3/сут, на фоне резкого снижения коэффициент водопроводимости 1,5 10-3 м2/сут., что не совсем понятно. Пластовое давление на глубине 2469 м равно 25,8 МПа. Химический состав поровых флюидов на исследованной глубине следующий:

HCO3 60Cl 22 SO4 М 0,3 pH 7,75. (5.6) Ca 55 Na Очевидно, что в разрезе Крылатовской ПТ ГГС мы наблюдаем иную гидрохими ческую и гидродинамическую зональность.

Гидрогеохимическую особенность Крылатовской ПТ ГГС подтверждают резуль таты термометрических наблюдений (Рисунок 5.9, а). Измерение температуры воды на том же участке ствола шахты «Центральная» проведены при помощи каротажной стан ции кварцевым термометром, разработанным в Институте геофизики УрО РАН [101].

Измерения проводились при спуске термометра с интервалом 10 м и остановкой на глубине измерения на 60 с (постоянная времени прибора). Погрешность измерения ± 0,01 0 С.

На полученной термограмме справочно приведены данные по ближайшей фоно вой скважине № 2000 Дегтярского рудоуправления, глубина которой сопоставима с ис следуемым шахтным стволом и составляет около 500 м (Рисунок 5.9а).

В целом температура воды в шахтном стволе изменяется от 5,83 до 7,55 0 С. На термограмме четко сформированы «полочки» (геотемпературные скачки), соответст вующие боковому притоку по горизонтальным горным выработкам 71, 130, 190 и 250 м.

Некоторое вертикальное смещение глубины обнаружения «полочки» от горных вырабо ток связано с их техническим состоянием, размером примыкающей ЗВТ.

Техногенная нарушенность массива обеспечивает увеличение скорости не только нисходящих и горизонтальных потоков, но и восходящую фильтрацию, которая в гид родинамически- и техногенно-обусловленных точках формирует геотемпературные скачки ( ступенчатообразное повышение температуры шахтных вод вниз по разрезу ПТ ГГС) за счет питания, поступающего в шахтный ствол с нижних техногенных горизон тов.

В точке 1 на глубине 110 - 120 м температура воды соответствует естественному температурному полю на глубине 240 м. В точке 2 (глубина 180-190 м) в техногенный горизонт поступает вода с естественной глубины 320-340 м, в точках 3 и 4 – 420 и м, соответственно.

Температурный градиент в природно-техногенной ГГС Крылатовского рудника, в отличие от природной (скв. 2000), с глубиной изменяется. На природной термограмме по скв. 2000 температурный градиент составляет 0,56 0С на 100 м. При движении вниз по шахтному стволу температурный градиент уменьшается от 1,0 0С/100 м до 0,8 0С/ м. Для Естюнинского рудного поля в интервале глубин до 0,4 м Ю.В. Михайловым опи сано увеличение температурного градиента от 0,9 0С/100 м (на глубине до 200 м) до 1, С/100 м (на глубине 200-400 м)[144].

Геотемпературные скачки в Крылатовской ПТ ГГС максимально составили 0,7 0С на горизонте 120-130 м, имеющем максимальную площадь питания и связь с наиболь шим количеством вертикальных каналов. В природных ГГС Урала на исследованных глубинах геотемпературные скачки не встречены [144, 259].

Таким образом, общее повышение температуры массива горных пород в нару шенных ГГС, снижение геотемпературного градиента с глубиной свидетельствует о го ризонтально-вертикальном перемешивании воды в затопленном шахтном стволе, нару шающем природные закономерности. Природно-техногенная система более доступна влиянию поверхностных факторов, которое, судя по изменению геотемпературного гра диента, ослабевает с глубиной.

В целом, глубина внедрения инфильтрационного питания определяется, во первых, морфометрическими показателями местности (глубиной вреза региональной дрены), во-вторых, проницаемостью массива горных пород и, в-третьих, климатиче скими факторами, главным образом, объемом атмосферного питания, которые в ураль ских условиях максимален весной при снеготаянии. Перечисленные факторы опреде ляют гидродинамическое соотношение между напором, расходом фильтрационного по тока и проницаемостью фильтрационной среды, описываемое для планового фильтра ционного потока классическим уравнением Дарси. Участие климатических факторов определяет сезонное колебание границы зоны активного водообмена. Более высокая проницаемость ПТ ГГС заведомо предполагает не только вертикальное перемеши вание, но и большую глубину верхней зоны активного водообмена.

Интерпретация материалов по Уральской сверхглубокой скважине продемонст рировала возможность проникновения инфильтрогенных вод до глубины 1,0 и более км [238, 259]. Именно последним обстоятельством объясняется аномальное снижение теп лового потока на Урале (особенно в пределах зеленокаменной полосы Тагило Магнитогорской мегазоны) до 30 и ниже мВт/м2 при ожидаемом для герцинид 50- мВт/м2, а также наличие вертикальной гидродинамической и гидрохимической зональ ности.

Согласно В.П. Зверева (2001), выделяются потоки гидрогеологические, литогене тические, геологические и гидротермальные [98]. Вслед за [144], рассмотрим только гидрогеологические потоки зоны активного (Г1-I + Г1-II) и замедленного водообмена (Г1-III) с водообменном 230 и 460 лет, соответственно. Граница раздела между ними обоснована Ю.В. Михайловым на глубинах до 162 м, что выше оцениваемой автором в пределах Крылатовской ГГС на 40-60 м.

Таким образом, реализованный комплекс исследований на территории Крылатов ской ПТ ГГС позволил предварительно оценить вертикальное гидрогеохимическое и геотемпературное поле затопленного рудника на территории Урала. Установлено нали чие вертикальной гидродинамической и связанной с ней гидрохимической и геотерми ческой зональностями природно-техногенных ГГС и ПВС. Зона активного водообмена в природно-техногенной ГГС имеет большую глубину, чем в природных условиях.

Гидрохимические характеристики частично затопленного Богомоловского руд ника могут быть представлены по результатам наблюдений на действующем водозабо ре, отбирающем подземные воды с глубины около 60-70 м для производственно технического водоснабжения крупного промышленного предприятия. Данные по каче ству дренажной воды на период отработки Богомоловского рудника отсутствуют.

Недропользователь испытывает потребность для использования шахтных вод не только в технических и промышленных, но и в питьевых целях, поскольку подземные воды Богомоловского водозабора имеют минерализацию менее 1,0 г/л и типичный для природных вод района гидрокарбонатный магниево-кальциевый состав.

Однако при расширенном исследовании выяснено, что шахтные воды не соответ ствуют питьевым кондициям по ряду показателей (СанПиН 2.1.4.074-01). Выше норма тивных значений для вод питьевого назначения, фиксируется показатель общей жестко сти (Рисунок 5.10), содержание нитратов (Рисунок 5.11), свинца (Рисунок 5.12), кадмий (Рисунок 5.13) и некоторых других (марганец, железо и показатель цветности).

Причина появления повышенных концентраций токсичных элементов кроется в горнопромышленном прошлом области питания Богомоловского водозабора, которая представляет собой типичную территорию горного техногенеза. Главным признаком техногенеза здесь служит цепочка провалов на поверхности земли, в которые длитель ное время складировались промышленные отходы соседнего химического завода.

Именно их влияние провоцирует критические концентрации свинца и кадмия, то гда как появление нитратов, скорее всего, является влиянием селитебной застройки в пределах области питания водозабора, обладающего крайне низкой защищенностью от поверхностного загрязнения. Как показали результаты мониторинга [257, 269], именно в весенний период (апрель) при максимальном атмосферном питании наблюдается рост загрязнения (Рисунок 5.11).

Аналогичные проблемы, как было показано выше, ограничивают использование водозабора «Зона Поздняя» на остановленном Пышминско-Ключевском руднике, а так же практически на всех эксплуатируемых, например, Березовском.

Изученные в многолетнем разрезе тенденции изменения химического состава от бираемых подземных вод позволяют рекомендовать их использование (хотя бы в неко торой части) для питьевых целей. Для этого необходимо два условия: создание эффек тивной системы кондиционирования (очистки) воды и организация зоны санитарной ох раны, которая могла бы гарантировать стабильность химического состава подземных вод.

14, 12, 10, Общая жесткость, мг-экв/дм3.

8, ПДК 6, 4, 2, 0, 14.01.00г 02.03.00г 23.05.00г 05.09.00г 09.01.01г 12.04.01г 21.08.01г 04.02.02г 15.04.02г 20.06.02г 18.09.02г 25.02.03г 30.04.03г 21.06.03г 14.08.03г 21.10.03г 22.12.03г 19.02.04г 25.04.04г 30.06.04г 20.09.04г 26.06.06г 30.08.06г 25.10.06г февраль 06г.

апрель 06г.

Рисунок 5.10 - Общая жесткость подземных вод Богомоловского водозабора 120, 100, 80, Нитраты, мг/дм 60, ПДК 40, 20, 0, февраль март 06г. апрель 15.05.06г. 26.06.06г. 27.07.06г. 30.08.06г. 26.09.06г. 25.10.06г. 29.11.06г.

06г. 06г.

Рисунок 5.11 - Концентрация нитратов в подземных водах Богомоловского водозабора Свинец, мг/дм3.

Кадмий, мг/дм3.

14.

. 1.

0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,. 02 г. 0г.

.0.

3.

00. 23 г. 0г.

.0.

5.

00. 03 г. 0г.

.0.

8. 10 10. г.

.1. 1 г.

1. 1.

09 09 г.

.0. 0 г.

1.

12 12. г.

.0. 0 г.

4.

21 21. г.

. ПДК. 0 г.

8. 8.

04 04 г.

.0. 0 г.

2. 15 15. г.

.0. 0 г.

4. 4.

20 20 г.

.0. 0 г.

6.

14 14. г.

.0. 0 г.

8.

. 27. г.. г 01 01.

.0. 20 3г.

.0. 0 г.

3. 3.

27 03г 27.

.0. 0 г.

5. 5.

24 03г 24.

.0. 0 г.

7.

24 24.. 0 г.. 0 г.

9. 9.

24 03г 24.

.1. 1 г.

0. 19 03г 19..

. ПДК. 0 г.

2. 2.

30 04 г Линия тренда 30.

.0. 0 г.

8. 25 06г 25..

.1. 1 г.

0. 0.

06 г. г.

Рисунок 5.13 - Содержание кадмия в подземных водах Богомоловского водозабора Рисунок 5.12 - Содержание свинца в подземных водах Богомоловского водозабора Завершая изложение материалов подраздела, представим данные Л.С. Табаксбла та [207] по техногенным гидрогеохимическим ассоциациям рудничных водосбросов и накопителей медноколчеданных залежей при их освоении и консервации. В указанной работе отмечается близость накопительных спектров шахтных вод сильносульфидизи рованных угольных залежей Кизеловского бассейна и рудничных вод медно колчеданных залежей. Самые насыщенные спектры получены для техногенных поверх ностных потоков (воды карьеров, приотвальные накопления, зоны обрушения и т.п.). В водах же большинства железорудных, никелевых, редкометальных, бокситовых и иных месторождений техногенные геохимические ассоциации невелики. В них преобладает стабильный комплекс малоактивно мигрирующих гидролизаторов и литофилов, иногда в диапазоне незначительного и малого накопления халькофилов, что объясняется угне тением процессов сернокислотного выщелачивания с превалирующей ролью углеки слотного выветривания. Самые насыщенные ассоциации обнаружены для объектов с длительным сроком эксплуатации. Закономерное уменьшение интенсивности металло носной нагрузки отмечается в водосбросах и ландшафтах недавно отрабатываемых за лежей. Снижение металлоносной нагрузки зафиксировано при консервации объектов (Таблица 5.2).

5.2. Гидрогеохимические процессы пассивной стадии горнорудного техногенеза (предпосылки) Среди гидрохимических процессов, получивших развитие в природно техногенных подземных водоносных системах на пассивной стадии горнорудного тех ногенеза, исходя из представленных выше эмпирических данных, можно выделить внутренние и внешние (привнесенные). Среди первых решающую роль играют: серно кислотное выщелачивание, вторичное минералообразвание, растворение и смешение.

Внешние факторы обусловлены складированными в техногенные полости отходами, не рекультивированными шламонакопителями или современной хозяйственной деятель ностью (коммунальное загрязнение и т.п.) при их растворении и смешении с инфильт рационным питанием ПТ ПВС.

Таблица 5.2 - Доля техногенной нагрузки элементов в ассоциации (А, %) рудничных водосбросов медно-колчеданных залежей Урала (по Л.С. Табаксблату, 1993) Условный номер и год начала отработки или состояние объекта V VI VII VIII I (1928) II (1952) III (1956) IV (1930) Элемент (в консервации) (в консервации) (в консервации) (накопитель-отстойник) 1 2 3 4 5 6 7 8 63,7 5,4 2,4 0,3 - 0,42 0,25 0, Fe 67,8 3,6 - - - 1,5 - Al 61,3 32,2 5,3 0,2 0,001 0,66 0,17 0, Mn 67,2 23,6 14,4 0,16 0,007 0,98 0,3 0, Cu 61,5 26,1 10,5 0,2 0,004 1,9 0,4 0, Zn 55,7 29,1 10,8 0,17 0,16 3,4 1,62 0, Ni 64,3 30,4 4,9 0,16 0,023 0,17 0,05 0, Co 66,25 23,7 9,7 0,21 0,013 1,6 0,3 0, Cd - 3,5 32,1 0,76 - - - Sb 78,03 10,73 2,34 0,52 0,006 5,55 1,65 La 75,4 13,2 7,4 0,3 0,08 0,75 2,44 0, Ce 49,9 22,7 2,4 0,33 1,4 1,3 21,8 0, Nb 77,7 16,1 5,2 0,22 0,02 2,5 1,3 Sm 83,2 7,1 8,7 0,2 0,07 0,56 0,18 0, Eu - 12,6 4,2 1,4 0,23 0,6 0,6 0, Gd - 21,2 2,7 0,04 0,08 1,25 0,31 Tb - 11,4 4,85 0,14 0,68 1,62 - 0, Ho - 6,6 14,3 0,35 0,08 0,62 1,29 0, Tm - 9,05 8,65 0,62 0,055 0,71 0,08 0, Yb 77,0 17,45 5,38 0,35 1,40 0,82 0,65 0, Lu 5.2.1.Сернокислотное выщелачивание Основная часть меднорудных месторождений Урала относится к медно-цинковой колчеданной формации (Дегтярское, Лёвихинское, Карпушихинское, Белореченское и др. рудные поля). Подчиненное распространение имеют месторождения скарново рудной формации (Гумешевское месторождение) Известно, что колчеданное месторождение может быть представлено как законо мерно построенное зональное геологическое тело, состоящее из рудной залежи, ореола околорудных метасоматитов, первичного геохимического ореола, а в зоне окисления вторичных геохимических ореолов рассеяния, сопровождаемых гидрогеохимическим и биогеохимическим ореолами [205]. Геохимической основой формирования водных оре олов рассеяния вокруг сульфидных месторождений являются окислительные процессы преобразования «сульфид сульфат» с последующим растворением продуктов окисле ния (сульфатов).

Окисление сульфидов происходит как чисто химическим путем, так и при уча стии тионовых бактерий, но только при поступлении достаточного количества кислоро да. При упрощенном рассмотрении можно записать три реакции, которые описывают окисление FeS2 (пирита) кислородом с образованием растворимых сульфатов, серной кислоты и элементарной серы [129, с. 577-582]:

Пирит + O2 + H2O FeSO4 + H2SO4;

(5.7) FeSO4 + O2 + H2SO4 Fe2(SO4)3;

(5.8) Пирит + Fe2(SO4)3 FeSO4 + S. (5.9) В действительности в качестве продуктов реакций окисления сульфидов (прежде всего пирита и халькопирита) образуются разные растворенные в воде формы металлов (катионы, гидроксо-, сульфатные, карбонатные комплексы) и формы серы (сульфатная, сульфитная, тиосульфатная, сульфидная), а также формы химических элементов мине ралов пород, вмещающих рудные сульфиды.

В природных условиях на предэксплуатационной стадии процесс окисления сульфидов лимитируется ограниченным количеством окислителя (кислорода), протека ет слабо и, в основном, сосредотачивается в зоне аэрации и сезонного колебания уровня грунтовых вод, поскольку именно здесь обеспечивается доступ кислорода и активный вынос продуктов окисления. Гидрогеохимические ореолы выражаются слабокислой ре акцией, повышенными относительно фона концентрациями сульфатов и богатым мик роэлементным составом [28]. Однако даже слабые гидрохимические ореолы использу ются для поиска колчеданных месторождений.

В эксплуатационный период дренажный водоотлив формирует техногенную зо ну аэрации и доступ кислорода к сульфидам в горном массиве многократно увеличива ется, что интенсифицирует процессы их окисления и сернокислотного выщелачивания.

Избыток кислорода образует сильнейший окисляющий агент кислых растворов – же лезный купорос - Fe2(SO4)3.

Появление особо сильных окислителей определяет резкую интенсификацию про цессов сернокислотного выщелачивания, ещё более усиливающую в присутствии тио новых бактерий [247]. Формируется специфический тип подземных вод – рудничные (шахтные) воды, гидрогеохимический облик которых кардинально отличается от естест венных гидрогеохимических ореолов сульфидных месторождений.

Процессы окисления и сернокислотного выщелачивания сульфидов протекают не только в массиве, но и на создаваемых отвалах горных пород, а также в пределах всей зоны техногенных литогеохимических ореолов рассеяния рудного материала, сопрово ждая отработку месторождения [94].

Попытаемся проанализировать, какие факторы вызывают ухудшение или улуч шение качества шахтных вод на постэксплуатационном этапе при самозатоплении шахт ных выработок.

Согласно литературным данным [129, 203], кинетику окисления сульфидов опре деляют следующие факторы (Таблица 5.3):

1. Интенсивность поступления кислорода. При подземной отработке ме сторождения кислород имеет доступ непосредственно к рудным телам (эндогенный источник рудного материала). Кроме того, происходит окисление сульфидов в техногенном ореоле рассеяния (экзогенный ис точник). При отработке месторождения и затоплении шахт отмечается последовательное сокращение эндогенного источника рудного материала при полном сохранении экзогенного. При этом наличие зон обрушений, провалов создает более благоприятные условия для доступа кислорода в зону аэрации. Если восстановленный уровень подземных вод достигает естественных отметок, то доступ кислорода и разложение сульфидов в массиве горных пород происходит только в зоне аэрации. При отсутствии техногенного источника (городская спланированная территория и т.п.) химический состав шахтных вод приблизится к составу естественных гидрогеохимических аномалий.

Таблица 5.3 – Факторы, определяющие кинетику окисления сульфидов на различных этапах освоения рудных месторождений ФАКТОРЫ Естественные Техногенная зона После условия аэрации самозатопления Интенсивность по- Ограничена по Многократно Сокращается, но активнее естест ступления кисло- глубине увеличивается по венного за счет ускорения водо рода к рудным ми- глубине обмена на подработанных терри нералам ториях Скорость отвода Регулируется Снижается в условиях Резко увеличивается за счет образующихся скоростью ограниченной ускорения скорости водообмена продуктов окисле- естественного (неполной) ния водообмена обводненности Площадь реаги- Ограничена глу- Резко возрастает за счет Превышает площади в естествен рующих поверхно- биной внедрения увеличения дисперсно- ных условиях за счет накопления стей сульфидов окислителя сти рудного тела и его рассеянной сульфидной минера вскрытия лизации на стенках горных выра боток и техногенных трещин Ассоциация суль- Специфичны на Накопление вторичных Первичные и вторичные, техно фидов в руде каждом место- минералов, образую- генные (главным образом, рождении щихся на разных легкорастворимые) ассоциации стадиях окисления сульфидов 2. Скорость отвода образующихся продуктов окисления. Затопление подземных горных выработок приводит к изменению и этого фактора. В границах депрессионной воронки шахтного водоотлива скорость отвода продуктов окисления в горном массиве ограничивается условиями водо обмена. При неполном водонасыщении зоны аэрации вероятно отложе ние некоторой части продуктов окисления и кристаллизации на стенках горных выработок и в трещинах горных пород в различных минеральных и гидроморфных формах (твердые фазы гидроокислов и сульфатов). При затоплении подземных горных выработок техногенная зона аэрации во влекается в зону полного водонасыщения. Происходит интенсивный вы нос накопленных продуктов, который контролируется скоростью движе ния шахтных вод и дебитом излива. Последнее обстоятельство способст вует более быстрому, чем в естественных условиях и при эксплуатации, удалению продуктов окисления. Увеличивается скорость выноса продук тов окисления и в зоне аэрации, за счет интенсификации инфильтрацион ного питания.

3. Площадь реагирующих поверхностей сульфидов. В отличие от усло вий эксплуатации при затоплении рудника площадь реагирующих по верхностей сульфидов с кислородом уменьшается. Однако сохраняются техногенные геохимические ореолы, которые образуют новые, в сравне нии с естественными условиями, реагирующие поверхности сульфидов, а увеличение инфильтрационного питания в границах зоны обрушений увеличивает поступление кислорода в зону аэрации над затопленными шахтами.

4. Ассоциация сульфидов в руде. Этот фактор остается постоянным для данного месторождения на протяжении всех этапов его освоения. После отработки месторождения сульфидная минерализация присутствует не только в рудных целиках, но и в рассеянной форме, как технологические потери горнорудного производства.

Следовательно, из четырех факторов, определяющих кинетику окисления суль фидов, первые три в большей степени зависят от текущих гидродинамических условий.

Существенными факторами формирования гидрогеохимического облика подземного рудничного стока на пассивной стадии техногенеза является характер зоны обрушения, приводящей к увеличению инфильтрационного питания, а также масштабы техногенно го геохимического ореола созданного на эксплуатационной стадии.

Восстановленные уровни, в силу созданной геофильтрационной неоднородно сти массива горных пород, практически всегда отличаются по своим отметкам от есте ственных, также как скорость водообмена, возрастающая в природно-техногенных ус ловиях (см. гл. 4). Последняя через отношение «вода-порода» формирует характер фи зико-химического взаимодействия в открытой системе Вернадского (вода-порода-газ органическое вежество) [33], поэтому её изменение на пассивной стадии горнорудного техногенеза неизбежно проявляется в особенностях геохимического облика рудничного стока.

5.2.2. Вторичное минералообразование, растворение и смешение Согласно [246], выделяется около 120 минеральных видов сульфатов в зоне ги пергенеза рудных месторождений. Более 30 % - это соли железа. Далее по распростра ненности следуют (по убыванию) соединения меди-цинка и свинца–кобальта и никеля.

Многие минеральные формы сульфатов неустойчивы в водной среде, что обусловливает возможность их накопления в условиях техногенной зоны аэрации и выносом при её об воднении. Известной особенностью минеральных видов сульфатов является их чрезвы чайно высокая растворимость.

Наиболее распространенными среди сульфатов купоросного вида, образующихся при высокой кислотности растворов (рН менее 3) и низком окислительном потенциале среды (менее 0,2 В):

мелантерит - Fe 2+ [SO4] 7H2O;

(5.10) пизанит - (Fe 2+, Cu) [SO4] 7H2O;

(5.11) кировит - (Fe 2+, Mg) [SO4] 7H2O. (5.12) Именно их химический состав более всего соответствует химическому составу рудничных вод, например, на изливе из затопленных горных выработок Дегтярского рудника.

Эмпирических данных по обнаружению твердой фазы перечисленных сульфатов на опорных объектах исследования автору получить не удалось. Имеются только лите ратурные данные, подтверждающие накопление сульфатов купоросного вида на стенках горных выработок и трещинах в техногенной зоне аэрации на отрабатываемых рудниках Урала [7, 13, 21].

Для восполнения недостатка эмпирического материала было выполнено термоди намическое моделирование, с помощью которого воспроизведен процесс образования твердой фазы семиводных сульфатов в условиях приближенных Дегтярской рудной зоны [86, 87, 253].

Для выполнения термодинамического моделирования использовался программ ный комплекс Ю.В. Шварова HCh [234], база термодинамических данных UNITHERM и другие параметрические данные из открытых источников [32, 149]. В качестве объекта рассматривалась простейшая система Al-Si-Ca-Mg-Fe-Cu-S-C-H-O, описывающая состав рудного поля Дегтярского медноколчеданного месторождения. Был воспроизведен рав новесный состав водной фазы и минеральной ассоциации, включающий, в том числе, хорошо растворимые водные сульфаты меди и железа. Твердые растворы (Fe,Mg)SO4.7H2O и (Fe,Cu)SO4.7H2O принимали как идеальные.

При моделировании рассматривалось окисление пирита и халькопирита в систе мах «сульфиды - карбонатная порода - вода», «сульфиды - основная порода - вода», «сульфиды - ультраосновная порода - вода», открытых по кислороду (с парциальными давлениями O2 от 10-10 до 10-80 бар) и углекислоте (с парциальными давлениями от 10- до 10-5 бар, но преимущественно 10-3 бар) при 25оС.

Упуская подробности термодинамических расчетов, подчеркнем, что в равновес ной минеральной ассоциации удалось воспроизвести образование кировита (Fe, MgSO4 · 7H2O) и эпсомит (MgSO4 · 7H2O). Формирование фазы (Fe,Cu)SO4·7H2O (пизанит) при моделировании не зафиксировано. Видимо этим объясняется рост концентрации железа, магния, сульфатов на изливе рудничных вод относительно эксплуатационной стадии и отсутствие оного для меди (см. Рисунки 5.1-5.4).

Принимая во внимание соотношение между железом и магнием в образующемся вторичном сульфате (кировите) в системах с породами, можно приближенно оценить последствия растворения кировита: 1 миллимоля фазы кировита продуцирует 100 мг сульфата, 20 мг магния и 50 мг железа, что близко по составу к рудничным водам иссле дуемого объекта (Дегтярского рудника), если принимать во внимание выход из раствора окисленной части железа.

Образование кировита за счет окисления сульфидов колчеданных месторождений начинает происходит при смене окислительно-восстановительного потенциала системы с восстановительного (Еh 0) на окислительный (Eh 0), но в пределах Eh – pH поля устойчивости форм железа степени окисления 2+.

В минеральной ассоциации, помимо названных (кировит, эпсомит, мелантерит и др.) отмечены устойчивые формы сульфидов (пирит, халькозин), гипса, каолинита и др.

[76].

Полученный результат, в совокупности с опубликованными данными, фотодоку ментацией (см. Рисунок 3.18), подтверждает высокую вероятность накопления опре деленного объема сульфатов купоросного вида в техногенной зоне аэрации подзем ных рудников Урала. Вероятно, что накопление мелантерита и кировита, а также гидро окислов железа (меди, цинка и др.) и др. соединений происходит параллельно, образуя сложные минерально-гидроморфные образования на стенках горных выработок, трещин и оставленного шахтного оборудования.

В целом, следует отметить, что сложное геологическое строение рудных объектов Урала ограничивает возможности метода моделирования.

Растворение и вынос накопленного материала, и в первую очередь, неустойчи вых гидросульфатов, происходит при затоплении техногенной зоны аэрации, при изме нившемся соотношении «вода-порода». Рудничный сток имеет несколько балансовых составляющих, каждый из которых привносит свои геохимические особенности. Это ла теральный подземный сток (природные подземные воды);

инфильтрация атмосферных осадков;

поглощение транзитного поверхностного стока. Проходя через горные выра ботки и подземные полости, происходит их смешение и техногенная метаморфизация под воздействием специфической геохимической обстановки. Применить расчетные ме тоды прогноза [147], как показали результаты термодинамического моделирования, дос таточно сложно.

В качестве обязательных базовых методов анализа и прогноза гидрогеохимиче ской ситуации в природно-техногенной ПВС рекомендуются балансовые оценки и ме тод аналогии, позволяющие совокупно учесть всю сложность геологического строения и горнотехнических условий.

5.3. Анализ экспериментальных данных по геохимии рудничных во природно-техногенных ПВС Данные по геохимии рудничных вод стадии затопления (частичного затопления) шахтных полей остановленных рудников носят разнородный характер. Особой агрес сивностью отличаются рудничные воды колчеданных месторождений, создавая гидро химические опасности в устойчивых полиэлементных ореолах, получивших распро странение за пределами их нейтрализации. Рудничные воды золоторудных месторожде ний обладают водохозяйственных потенциалом, в том числе, для питьевого применения.

При анализе следует остановиться подробнее на следующих моментах:

1. Внутренние геохимические процессы, отвечающие за формирование кислых вод колчеданных месторождений.

2. Геохимическая зональность рудничных вод в объеме шахтного поля.

3. Внешние факторы и источники влияния на химический состав рудничных вод.

1. Внутренние геохимические процессы, отвечающие за формирование кис лых вод колчеданных месторождений.

Эмпирический материал по геохимии рудничных вод Дегтярского рудника мо жет быть описан в виде графической модели, состоящей из трех временных периодов (Рисунок 5.14).

Период I – заполнение депрессионной воронки латеральным «чистым» потоком.

Разбивается на два нестационарных этапа, соответствующих ветвям графика. Первый – с преобладанием в балансе рудничных вод чистого латерального притока в зоне затоп ления А (см. Рисунок 4.6). Второй наступает после выхода поднимающегося уровня подземных вод в зону Б, максимального заполнения водой подработанного пространст ва, формирования излива рудничных вод на поверхность земли. Достигаются макси мальные показатели загрязнения рудничных вод в результате вымывания и растворения накопленных в техногенной зоне аэрации вторичных минералов и их соединений, в пер вую очередь, купоросного вида. Продолжительность периода для условий Дегтярского рудника оценивается 10-11 лет, тогда как на шахтах в Кизеловском угольном бассейне, по литературным данным [106], он продолжался около 6 лет (Рисунок 5.15).

Рисунок 5.14 – Эмпирическая геохимическая модель формирования рудничных вод на Дегтярском руднике на пассивной стадии техногенеза Рисунок 5.15 – Эмпирическая геохимическая модель формирования шахтных вод на объектах Кизеловского угольного бассейна на пассивной стадии техногенеза Период II – начинается со снижения в рудничном стоке солесодержания, кислот ности и концентрации ионов-гидролизаторов, которое происходит в результате умень шения объема в техногенной зоне аэрации накопленных при эксплуатации рудника рас творимых вторичных минералов. Нерастворимые соединения вымываются как механи ческие примеси и осаждаются на участках выхода рудничных вод. Остальные процессы (сернокислотное выщелачивание и смешение различных источников формирования рудничного стока) количественно стабилизируются при некоторой сезонной изменчи вости. Происходит плавное снижение агрессивности рудничных вод до полного вымы вания из техногенных подземных полостей легкорастворимых соединений. Процессы сернокислотного выщелачивания, имеющие в начале периода подчиненное значение, к его завершению приобретают ведущую роль. На Дегтярском руднике период оценивает ся продолжительностью 5-7 лет (17 лет от начала остановки рудника и 13-15 лет от на чала излива). На Кизеловском угольном бассейне его продолжительность вдвое больше – около 13 лет (15-20 лет после начала шахтоизлива) [106].

Суммарно длительность растворения и выноса сульфатов купоросного облика из подземных полостей Дегтярского рудника оценивается автором несколько большей продолжительностью (10-15 лет), чем можно предположить, исходя из их высокой рас творимости. Просматриваются два фактора, способствующих замедлению процесса рас творения:

- сложное строение геофильтрационного поля затопленных рудников, проявляю щееся через эффект двойной (или даже тройной) пористости: поры-трещины техногенные каналы;

вторичные минералы вымываются из такой среды последователь но, сообразно их проницаемости;

- сложный состав минерально-гидроморфных образований, в которых слаборас творимые примеси и включения будут тормозить растворение гидросульфатов.

Период III – относительная стабилизация химического состава рудничных вод на изливе, зависящая, главным образом, от климатических факторов, когда избыточное ат мосферное питание разбавляет рудничный сток. Ведущим геохимическим процессом в подземных горизонтах является сернокислотное выщелачивание сульфидной минерали зации, при многократном снижении его активности относительно стадии активного тех ногенеза. На Дегтярском руднике результатом активной стадии был рудничный сток с концентрацией сульфат-иона в среднем 6 г/л, на пассивной – около 2 г/л. На отдельных объектах установлен выход кислых вод на протяжении 40 и более лет (Карпушихинский рудник) с концентрацией сульфатов 0,5 г/л. По расчетам А.К. Имайкина для условий Кизеловского объекта [106], продолжительность III-го периода может составить сотни лет при концентрации сульфатов около 1 г/л (Рисунок 5.15).


2. Геохимическая зональность рудничных вод в объеме шахтного поля связана с особенностями гидродинамических условий и водообмена в природно-техногенной ПВС. Она проявилась при затоплении Дегтярского шахтного поля в зонах А и Б нарас танием агрессивности рудничных вод по мере убывания притока чистых подземных и поверхностных вод. Как показало опробование Крылатовского шахтного поля, верти кальное гидрохимическое расслоение в ёмкости ПТ ГГС присутствует не только на кол чеданных месторождениях. Оно отличается от природного на любых месторождениях из-за доступности поверхностных агентов на большую глубину и вертикального пере мешивания воды в ёмкости ПТ ГГС. Геохимическая зональность проявляется при раз личной глубине вскрытия природно-техногенной ГГС зонами разгрузки и каптажа, как видно по эмпирическим данным на Ломовском и Карпушихинском рудниках, водозабо ре «Зона Поздняя» и др. объектах.

3. Внешние факторы и источники влияния на химический состав рудничных вод осложняют геоэкологическую ситуацию на затопленных рудниках. К ним относятся промышленные отходы (твердые и жидкие), которые в разное время складировались в поверхностные и подземные техногенные пустоты (Гумешевский, Березовский, Богомо ловский и др. рудники), наличие неликвидированных шламонакопителей и т.п. В по следнем случае сосредоточенный источник загрязнения рудничного стока требует более точного прогноза его распространения по техногенным каналам, например, с помощью моделирования [147].

Складирование отходов в техногенные полости ПТ ГГС создает устойчивое хи мическое загрязнение подземных вод высокотоксичными элементами (Богомоловский рудник), не типичными для минералогической специализации месторождения.

Особенности природно-техногенных ГГС горнорудного профиля определяют по ниженную защищенность подземных вод от поверхностного загрязнения. Поэтому со пряженность территории ПТ ПВС с различными видами антропогенеза, в первую оче редь, с селитебно-промышленной застройкой, часто проявляется в нитратном загрязне нии рудничных и подземных вод (Березовский и Пышминско-Ключевской рудник).

Выводы по главе В пределах затопленных рудников формируется техногенный водоносный гори зонт шахтного типа, обладающий присущими только ему питанием, разгрузкой и скоро стью движения подземных вод со специфическим химическим составом рудничных (в пределах подземных техногенных каналов) и подземных вод.

Эмпирическая геохимическая модель формирования рудничных вод на колчедан ных месторождениях включает три временных периода с последовательной сменой до минирующих процессов: латеральный приток, растворение и вынос легкорастворимых вторичных минеральных образований из техногенной зоны аэрации, сернокислотное выщелачивание, что приводит к периодам временного улучшения и ухудшения геохи мического облика рудничных вод. Активность сернокислотного выщелачивания на пас сивной стадии техногенеза всегда ниже периода эксплуатации.

После завершения процесса самозатопления геохимическая обстановка в преде лах природно-техногенной ПВС горнорудного профиля существенно отличается как от природной, так и от эксплуатационной стадий. В природно-техногенных ГГС формиру ется особая вертикальная гидродинамическая зональность, которая проявляется в гео химическом расслоении рудничных вод, их концентрировании ниже базиса дренирова ния и нарушении природного геотемпературного поля. Зона активного водообмена в границах ПТ ГГС имеет большую глубину.

Наличие внешних привнесенных факторов и условий может ограничивать ис пользование рудничных вод на пассивной стадии техногенеза, не связанное с металло генической специализацией объекта.

ГЛАВА 6. ТЕХНОПРИРОДНЫЕ ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ОПАСНОСТИ НА ТЕРРИТОРИИ ЗАТОПЛЕННЫХ РУДНИКОВ УРАЛА, ИХ ПРОГНОЗИРОВАНИЕ И МОНИТОРИНГ Рудники представляют собой опасные производственные объекты горнодо бывающего профиля. Условия их ликвидации (консервации) в настоящее время оп ределяет «Инструкция о порядке ведения работ по ликвидации и консервации опас ных производственных объектов, связанных с пользованием недр» (РД 07-291-99), в которой определены требования к Проекту ликвидации (консервации) опасного объекта. «Проект…» должен включать разнообразные материалы, характеризую щие объект ликвидации (описание зон проникновения токсичных и вредных ве ществ, хранение и захоронение которых осуществлялось, агрессивных шахтных и рудничных вод во вмещающий горный массив и др.), экологические, геодинамиче ские (маркшейдерские), гидрогеологические и др. прогнозы, также сроки, способы и последовательность выполнения работ (технических мероприятий) [108].

Несмотря на вышеперечисленные требования, представленный в п. 3.1 мате риал убедительно демонстрирует, что реализуемая система рекультивации и реаби литации территории ликвидируемых рудников на Урале явно недостаточна [135, 260, 268]. Возможными причинами сложившейся ситуации являются: невыполне ние мероприятий, предусмотренных «Проектом …»;

недостаточность запроекти рованных мероприятий, возможно, в результате недоучета всех опасных геологи ческих процессов;

отсутствие «Проекта ликвидации…» и рекультивационных ме роприятий на территории старых рудников, закрытых ещё до середины XX в.

Очень часто отсутствует закладка техногенных пустот, включая глубины менее м (обязательно согласно требованиям РД 07-291-99), что демонстрируется на Бере зовском, Богомоловском и Гумешевском рудниках, на территории Режевского при родно-минералогического заказника и др. объектах [150, 260, 269, 275].

Выполнить полностью требования документа [108] представляется весьма сложной и дорогостоящей задачей, упростить которую позволит предварительное ранжирование ликвидируемых объектов, например, по степени их техногенной уязвимости или техноприродной геологической опасности, эмпирические модели и схемы, в том числе, разработанные выше (гл. 3-5).

Современной природоохранной тенденцией на территории РФ является оценка и страхование природных (техноприродных) опасностей и рисков, которая реализуется, например, на территории г. Москва [188]. Представляется целесооб разным выполнять аналогичную работы на территории затопленных рудников, не смотря на то, что в документе [108] подобные оценки не предусмотрены.

6.1. Группировка техноприродных геологических опасностей на территории затопленных рудников Урала Согласно СНиП 2.01.09-91 «Здания и сооружения на подрабатываемых тер риториях и просадочных грунтах» и СП 11-105-97 «Инженерные изыскания для строительства». Часть V. «Правила производства работ в районах с особыми при родно-техногенными условиями» (Госстрой России, 2003), подработанные горны ми работами территории несут повышенные геологические риски при их застрой ке. Риск - есть вероятная мера природной опасности, поэтому его оценка предваря ется оценкой природной опасности (или их совокупности) [183]. Опасность, в со ответствие с тем же источником, представляет собой «процесс, свойство или со стояние определенных частей литосферы, гидросферы…, представляющих угрозу для людей (социальный риск), объектов экономики (физический и экономический риски) и (или) окружающей среды (экологический риск)». В литосфере (геологиче ской среде, по Е.М. Сергееву [196]) возникают геологические опасности, прояв ляющиеся посредством опасных геологических процессов [188].

Риск (его вероятность) пропорционален уязвимости рассматриваемого объ екта. Последнее – есть свойство материального объекта утрачивать способность к выполнению своих естественных функций в результате воздействия опасного про цесса или их совокупности. Применительно к территории пассивного техногенеза уязвимость может быть определена по степени нарушенности естественных при родных условий горнорудной деятельностью (потеря части природных свойств или функций [221]), например, при формировании природно-техногенных гидрогеоло гических структур и систем (см. гл. 4). Если уязвимость природных гидрогеологи ческих условий выражается посредством природно-техногенных ПВС, то показате ли и характеристики последних (скорость водообмена, общая минерализация и др.

[72, 77]) можно использовать для характеристики экологических рисков и геологи ческой опасности.

По направленности воздействия геологические опасности разделяют на при родно-техногенные (воздействие природного источника на техногенный объект мишень), техногенные (в случае воздействия на техногенный объект-мишень тех ногенного источника) и техноприродные (воздействие техногенных источников на окружающую природную среду) [183].

На затопленных рудниках техноприродную геологическую опасность (ТПГО) создает объект - ликвидированный рудник, его затопленные горные выра ботки, отвалы и др. элементы. Он является источником воздействия на природные объекты – ландшафты, массивы горных пород, природные подземные и поверхно стные воды и т.п. [68]. В результате природные ГГС и ПВС заменяются природно техногенными, представляющими собой комплексное проявление ТПГО [79].

Опасные природные и техноприродные геологические процессы и явления выделены в работе О.Н. Грязнова [53]. Среди 10 видов процессов значатся гидро литогенные, карстовые и суффозионные, субтерральные, загрязнение окружающей среды и т.д., что позволяет относить классификацию к универсальной. Однако при всей разносторонности практическое применение классификации в рассматривае мом вопросе затрудняется из-за отсутствия факторов, формирующих техноприрод ные геологические процессы, которые не указаны, вероятно, в силу их многообра зия. Практическая оценка ТПГО для их прогнозирования и предотвращения на за топленных рудниках Урала требует применения более узкого специфического пе речня процессов и явлений [68]. Ключевое значение при этом имеет генезис опас ных процессов.


В главе 3 представлен эмпирически обоснованный перечень природно техногенных процессов на территории затопленных рудников Урала, который включает 13 видов (см. Таблица 3.8). Практически все – обусловлены гидродина мическим фактором - подъемом уровня подземных вод (с учетом специфики его протекания в различных природно-техногенных условиях) и его предельным по ложением, приводящим к изменению состояния горных пород при вторичном за мачивании. Многообразие геологических процессов, а также их проявлений, воз никающих под первоначальным воздействием только гидродинамического факто ра, определяется генетической связью подземных вод с поверхностным стоком, геомеханическими свойствами и геодинамическим состоянием массива горных по род, демонстрируя причинно-следственную зависимость инициирующего (подъем уровня подземных вод) и инициируемых геологических процессов [228]. Характер проявления первого определяется и естественными геологическими условиями за тапливаемых территорий, и степенью их техногенной нарушенности горными ра ботами.

Эффект синергетичности опасных геологических процессов отмечается це лым рядом исследователей [136]. Примером могут служить уже упомянутые выше работы В.П. Хоменко и А.Л. Рогозина [183, 228]. Первым автором проанализиро ваны причинно-следственные связи суффозионно-карстовых процессов. Вторым рассмотрена синергетика целого ряда процессов, в том числе, подтопления, имею щая весьма сложную причинно-следственную зависимость.

Учитывая синергетичность природно-техногенных геологических процессов, проявляющихся внутри природно-техногенных ГГС и ППВ, можно уменьшить число анализируемых факторов и параметров объединением схожих по определен ным признакам. Для группировки выбран генетический принцип, разделяющий опасные процессы на четыре группы ТПГО: гидродинамические (ГД), формирую щие опасность исключительно положением восстановленного уровня подземных вод;

гидрохимические (ГХ), вызывающие снижение потребительских свойств при родных вод, их повышенную агрессивность для окружающей природной и инже нерной среды;

экзогеодинамические (ЭГД), - опасность активизации экзогенных геологических процессов при повторном замачивании массива горных пород;

гео механические (ГМ), создающиеся изменением несущих свойств грунтов, как осно вания для инженерных сооружений.

Группы эндогеодинамических и геофизических процессов не выделены, по скольку их опасные проявления на территории затопленных рудников Урала ещё достоверно не установлены, хотя данные о техногенных землетрясениях на затоп ленных угольных шахтах Донбасса имеются [242], как и об изменении температур ного поля [75, 101]. Следует ожидать геомагнитных и гравитационных аномалий.

Для территории Урала геодинамические и геофизические аспекты ТПГО ждут сво его исследования.

Выделенные группы ТПГО отличаются по своим условиям формирования и проявлениям, но находятся в тесной причинно-следственной связи (Рисунок 6.1).

ГД ЭГД ГХ ГМ Рисунок 6.1 - Причинно-следственная связь техноприродных геологических опасностей, развивающихся на территории затопленных рудников Урала Рассмотрим содержание выделенных групп ТПГО (Таблица 6.1).

Группа 1. Гидродинамические опасности (ГД), обусловленные, в первую очередь, подъемом уровня подземных вод и его предельным положением. В эту группу относятся следующие процессы и их проявления:

1.1. Прорывы подземных вод в соседние работающие или строящиеся шахты, приводящий к катастрофическим последствиям в случае их гидродинами ческой связи (Полуночное, Ново-Леневский, Гумешевский и др. рудники).

1.2. Заболачивание и подтопление подвальных помещений, подземных коммуникационных систем (при их наличии в зоне влияния затопленной шахты), выдавливание в них рудничного газа, что в предельном случае, делает невозмож ным их эксплуатацию без специальных защитных мероприятий, или снижает ком фортность проживания, уменьшает срок службы подземных конструкций (Крыла товский, Дегтярский и др. рудники) [268].

1.3. Условия выхода рудничных вод на поверхность земли исследованы в пп. 4.3.2. В результате излива происходит затопление отрицательных форм релье фа, водная эрозия склонов и т.п., изменяющая хозяйственный и экологический ста тус территории (Дегтярский, Зюзельский, Карпушихинский и др.).

Таблица 6.1 - Группировка техноприродных геологических опасностей на территории затопленных рудников Урала Группа ТПГО Факторы и условия формирующие ТПГО Проявления ТПГО Факторы Условия 1 2 3 1. Гидродинамиче- Положение восстановленного

Работающие и строящиеся 1.1. Прорыв подземных вод из затопленных ские (ГД) уровня подземных вод шахты в зоне гидродина- шахт в действующие или строящиеся, их де мического влияния затоп- формация и затопление ленных выработок.

Заглубленные инженерные 1.2. Заболачивание, подтопление подвальных сооружения. помещений и выход рудничного газа Селитебные зоны в зоне и 1.3. Выход рудничных вод на поверхность зем ниже участка шахтоизлива ли (шахтоизлив) 2. Гидрохимиче- Положение восстановленного Водозаборы и другие за- 2.1. Загрязнение подземных вод ские (ГХ) уровня подземных вод. глубленные инженерные 2.2. Формирование агрессивных для фундамен Колчеданные месторождения с объекты в границах при- тов, кабелей и т.п. рудничных вод оставленными целиками руд, родно-техногенной ПВС. 2.3. Загрязнение поверхностных вод рассеянной сульфидной минера- Снижение защищенности 2.4. Специфические геохимические ландшафты лизацией, отвальным комплек- подземных вод.

сом и т.п. Источники поверхностного Захороненные в горные выра- загрязнения ботки токсичные отходы Продолжение таблицы 6. 1 2 3 3. Экзогеодинамиче- Положение восстановленного Строение, литологический 3.1. Суффозионные процессы с образованием ские (ЭГД) уровня подземных вод. состав и мощность пород провалов, деформацией подземных и поверхно Степень и характер рекультива- зоны аэрации. стных сооружений ции горных выработок Геоморфологическое по- 3.2. Просадки и провалы в зоне сдвижения, де ложение, уклоны поверх- формация поверхности земли, шахтных стволов ности земли и др.

3.3. Набухание и морозное пучение глинистых грунтов, оплывины на бортах воронок обруше ния, карьеров 3.4. Подземная водная эрозия и аккумуляция 3.5 Оползни на бортах техногенных выемок и природных склонах 3.6. Поверхностная водная эрозия и аккумуля ция 4. Геомеханические Положение восстановленного Химический состав под- 4.1. Снижение несущих свойств грунтов (ГМ) УПВ. земных вод. (уменьшение общего модуля деформации и Напряженное состояние массива Литологический состав и удельного сцепления) горных пород мощность пород зоны 4.2. Усиление коррозионной активности грун аэрации тов Группа 2. Гидрохимические опасности (ГХ) также зависят от положения уровня подземных вод, от которого зависит подземный сток подотвальных вод, ак тивность сернокислотного выщелачивания и растворения захороненных токсичных отходов и т.п. Важное значение имеет принадлежность объекта к колчеданным ме сторождениям (см. пп. 5.1.1). Захоронение токсичных отходов в горные выработки и поверхностные источники загрязнения иного генезиса (не горнорудного) при об щем снижении защищенности подземных вод, создают дополнительный уровень ТПГО. К группе ГХ отнесены следующие опасные проявления и процессы:

2. 1. Загрязнение подземных вод в результате, во-первых, гидрогеохимиче ских процессов «вода-порода» в затопленных горных выработках, во-вторых, взаимодействия с оставленными целиками рудных тел, техногенными литогеохи мическими ореолами рассеяния, включая отвалы [12, 30, 62, 95, 97, 124, 171, 191, 225, 262, 274], дамбы, подушки автодорог, засыпанные отходами карьеры [83, 84, 110, 130], шламонакопители и т.п., в-третьих, снижения их защищенности от по верхностного загрязнения при увеличении проницаемости зоны аэрации за счет провалов и обрушений.

2.2. На фоне сернокислотного выщелачивания и загрязнения (см. гл. 5) уве личивается агрессивность подземных вод к подземным конструкциям и коммуни кациям. Могут быть выведены из строя водозаборы, в том числе, питьевого назна чения, и другие объекты. Например, в зоне Дегтярского техногенеза агрессивные рудничные воды в мае 1999 г. вывели из строя городские очистные сооружения хо зяйственно-бытовых сточных вод.

2.3. Загрязнение поверхностных вод за счет разгрузки загрязненного под земного стока, увеличенного плоскостного смыва с техногенных ландшафтов и т.п.

В результате могут быть выведены из рекреационного использования поверхност ные водные объекты [76, 165], изменен их водохозяйственный и рыбохозяйствен ный статус.

2.4. Увеличение доли загрязненного поверхностного стока после затопления горных выработок приводит к формированию специфических геохимических ландшафтов, составными частями которых являются техногенные родники [90, 91] и частичное измененные (обычно угнетенные) биогеоценозы территории [139].

Группа 3. Экзогеодинамические опасности (ЭГД) формируется при замачи вании рыхлых грунтов покровных отложений в зависимости от их строения, лито логического состава и мощности [178], а также подземной и поверхностной водной эрозии и аккумуляции [138]. Поэтому так важно, как происходило самозатопление горных выработок и на какой глубине расположится восстановленный уровень подземных вод. Особое значение для активности ТПГО типа ЭГД имеет степень рекультивации нарушенных земель, орогидрография поверхности затопленных рудников. К этой группе отнесены следующие техноприродные геологические опасности:

3.1. Суффозионные процессы (механическая и химическая суффозия) с обра зованием провалов при условии наличия в покровных отложениях рыхлого мате риала (пески, супеси, известковая или доломитовая мука), приводящих к деформа ции подземных и поверхностных сооружений, усилению питания подземных водо носных систем, снижению их защищенности (Березовский рудник и др.).

3.2. Просадочные процессы при развитии лессов и лессовидных пород, про валов в зоне сдвижения, также приводящие к деформации поверхности земли, шахтных стволов и околошахтных пространств.

3.3. Набухание и морозное пучение глинистных пород (Березовский руд ник), оплывины на бортах обрушений и карьеров (Северо-Песчанский рудник, шахта Магнетитовая).

3.4. Подземная водная эрозия и аккумуляция материала (Гумешевский руд ник).

3.5. Оползневые процессы на оползнеопасных техногенных геоморфологи ческих элементах рельефа (Липовский рудник).

3.6. Поверхностная водная эрозия и аккумуляция (Дегтярский рудник).

Группа 4. Геомеханические опасности (ГМ) формируются в результате зама чивания грунтов без их смещения [178]. Литологический состав и мощность рых лых отложений, наличие метасоматитов [54] и других химически неустойчивых пород [59, 115, 274, 245], тектоническая нарушенность территории определяют сте пень геомеханической деформации и опасности при вторичном замачивании. В ре зультате замачивания также изменяется напряженное состояние массива горных пород. В том числе:

4.1 Снижение прочностных и деформационных свойств грунтов (ослабляется сопротивление грунтов сдвигу). При замачивании глинистых грунтов удельное сцепление при сдвиге снижается от 2 до 25 раз, модуль общей деформации умень шается в 3-15 раз. Мелкозернистые пески могут приобретать плывунные свойства.

Регистрация этой опасности происходит при наличии инженерных сооружений и их деформации.

4.2. Усиление коррозионной активности грунтов, увеличение плотности блуждающих токов, интенсифицируется электрохимическая коррозия. В некото рых случаях химический состав подземных может интенсифицировать эту опас ность.

Гидродинамическая и гидрохимическая группы опасностей могут носить как автохтонный, так и аллохтонный характер [183], тогда как экзогеодинамическая и геомеханическая опасности развиваются исключительно автохтонно с зоной под топления и создают угрозу, в первую очередь, инженерным сооружениям.

Перечисленные группы ТПГО затопленных рудников имеют абиотический характер. Интенсивность их изменяется в периоды гидродинамической и гидрогео химической нестабильности при формировании природно-техногенной ПВС. В дальнейшем она носит сезонный характер, соответствующий периоду воздействия природных гидрометеорологических факторов.

Комплексным выражением ТПГО, как уже отмечалось, являются природно техногенные ГГС и ПВС, что позволяет использовать выявленные их гидродина мические, геохимические, геофизические закономерности их формирования и функционирования (см. гл. 4 и 5) для прогноза и оценки экологических рисков и уязвимости природных объектов.

6.2. Прогнозирование техноприродных геологических опасностей Два подхода к прогнозированию ТПГО на территории затопленных рудни ков Урала, рассматриваемые ниже, носят многоцелевых характер. Во-первых, они позволяют выполнить предварительное ранжирование объектов и их территории по степени геологической опасности;

во-вторых, - обосновать класс экологического (горноэкологического) мониторинга;

в-третьих, - выявить рациональное направле ние рекультивации (реабилитации).

Предлагаемые прогнозные схемы относятся к экспресс-методам, учитываю щие практически весь спектр опасных природно-техногенных процессов, что со ставляет их достоинство. В ряде случаев экспресс-методики являются достаточ ными, не подменяя более точные (и дорогостоящие) методы, такие как математиче ское моделирование и др. [143, 261, 262, 280, 284], которые могут быть реализова ны при специализированной оценке отдельных наиболее опасных геологических процессов.

Одним из методов прогноза, согласно [183], является зонирование и райони рование территории по вероятности проявления ТПГО. Зонирование позволяет вы делить участки с более или менее однородной плотностью опасных процессов и одинаковой группой риска, и широко используется в практике гидрогеоэкологии [227].

Параметры природно-техногенных ПВС затопленных рудников, служащие комплексным проявлением ТПГО, также могут быть использованы для прогноза последних.

6.2.1. Зонирование территории по техноприродной геологической опасности как метод их прогноза Согласно [283], на территории проведения мониторинга месторождений твердых полезных ископаемых выделяется три зоны: непосредственного ведения горных работ в границах горного отвода (зона I);

зона II существенного влияния горных работ, выделяемая в пределах депрессионной воронки рудничного водоот лива (10-20 % от понижения в центре депрессии);

периферийная зона III для фоно вого мониторинга.

Территорию затопленных рудников предлагается по аналогии разбить на три зоны: внутреннюю (I), внешнюю (II), замыкающую (III) [68, 252]. Зоны представ ляют собой площади с определенным набором потенциальных ТПГО, которые мо гут привести к физическим, экономическим и экологическим рискам (Таблица 6.2).

Максимальное количество возможных проявлений принимается по группам ТПГО, согласно таблице 6.1: ГД – 3 вида, ГХ – 4 вида;

ЭГД – 6 видов и ГМ – 2 вида. Сум марно максимально 15 видов опасных процессов (15 баллов). В иных условиях, от личных от Урала, может быть принято иное количество видов ТПГО для террито рии затопленных рудников.

Таблица 6.2 - Распределение потенциальных рисков по зонам ТПГО при затоплении рудников на Среднем Урале Группы ТПГО* Зоны техноприродных опасностей I II III 1** 2 3 1 2 3 1 2 Гидродинамическая (ГД) + + + + + + - - Гидрохимическая (ГХ) + + + + + + + + + Экзогеодинамическая (ЭГД) + + + + + + - - Геомеханическая (ГМ) + + + + + + - - Максимальное количество воз- 3+4+6+2=15 2+4+3+2=11 можных проявлений ТПГО* * приняты по таблице 6. ** виды потенциального ущерба, определяются в каждой зоне:

1 – физический;

2 – экономический;

3 – экологический;

«+» означает наличие вероятно сти риска, «-» - его отсутствие На примере территории Дегтярского техногенеза рассмотрим распределение ТПГО по зонам (Рисунок 6.2).

Внутренняя зона (I) выделяется в границах горного отвода. В этой зоне сте пень техногенного преобразования ландшафта и массива горных пород максималь на, поэтому концентрация опасностей и вероятность рисков самая высокая. Пора женность территории зоны опасными геологическими процессами, относящимися к группам ГД, ЭГД и ГМ ТПГО максимальная и практически повсеместная. С гид рогеологических позиций - это территория природно-техногенной ГГС. На терри тории Дегтярского техногенеза обследованием выявлено 12 видов опасных процес сов из 15 возможных (Рисунок 6.2). Оценка экологического (при необходимости физического и экономического) риска для зоны I должна быть обязательной.

Внешняя зона (II) выделяется от границы горного отвода до контура депрес сионной воронки. Основной вид техногенной нарушенности в зоне II, возникшей в результате горнодобывающей деятельности, представлен измененным водным ба лансом территории. В этой зоне отсутствуют подземные горные выработки, но встречаются техногенные ландшафты, гидро- и литогеохимические ореолы рассея ния. При «захлапывании» депрессионной воронки в этой зоне может быть сущест венно снижена устойчивость инженерных объектов (при их наличии), также могут пострадать адаптированные к низкому положению УПВ биогеоцинозы [270]. В гидрогеологическом отношении зона II принадлежит к природно-техногенной ПВС.

Рисунок 6.2 - Зонирование территории Дегтярского техногенеза по интенсивности ТПГО: 1 – контур города;

2 – современная гидросеть На территории Дегтярского техногенеза в зоне II ТПГО уровни подземных вод занимают критические отметки (менее 1,0 м от поверхности земли). Подтопле ны овощные ямы, канализационные коллекторы и т.п. В результате проникновения загрязненного подземного стока неоднократно выходили из строя очистные соору жения городских хозбытовых стоков, находящиеся в зоне. На отдельных зданиях имеются следы деформаций, доказывающих, что происходит деформация фунда ментов. Сроки службы подземных коммуникаций резко снизились в результате высокой агрессивности среды. Морозное пучение грунтов деформирует автодо рожные покрытия.

Пораженность территории зоны II опасными процессами оценивается 9 бал лами из 15 возможных. Оценка физических и экономических рисков на проектной стадии «мокрой» ликвидации рудников необходима при наличии в этой зоне пить евых водозаборов и инженерных объектов I и II класса ответственности.

Замыкающая зона (III) в условиях горноскладчатого Урала охватывает бас сейн местного речного стока до региональной дрены ниже по течению подземных и поверхностных вод за пределами депрессионной воронки. В гидрогеологическом отношении представляет собой зону разгрузки природно-техногенной ПВС. Целе сообразно выделение только на очень опасных объектах. В пределах этой зоны практически отсутствуют другие последствия горнорудной деятельности, кроме ГХ: гидро- и литогеохимические ореолы, реже - техногенные ландшафты. Выделе ние замыкающей зоны связано с остаточными явлениями гидрохимической опас ности затопленного рудника.

На Дегтярском объекте зона III охватывает бассейн реки Ельчевка с прито ками р. Исток и Дегтярка, в которые происходит излив рудничных и подотвальных вод, включая Ельчевский пруд-осветлитель, расположенный в устьевой части р.

Ельчевка на выходе в Волчихинское водохранилище, далее которого воздействие затопленного рудника не распространяется. На этой территории встречены только 4 гидрохимических вида опасных процессов из 15 возможных.



Pages:     | 1 |   ...   | 4 | 5 || 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.