Техногенез затопленных рудников Урала Елохина Светлана Николаевна

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1. Состояние изученности техногенеза затопленных рудников Урала 15

1.1. Техногенные процессы и понятие «техногенез» 15

1.2. Изученность техногенеза постэксплуатационной стадии 27

1.3. Эволюция природно-техногенных литогенетических систем 46

1.4. Техногенез подземной гидросферы 51

1.4.1. Подземная водоносная система или гидрогеологическая структура 51

1.4.2. Виды техногенного воздействия на подземную гидросферу 55

Выводы по главе 1 58

ГЛАВА 2. Природные условия уральского складча того пояса и объектов горнорудного техногенеза 60

2.1. Климатические условия территории 60

2.2. Гидрографическая сеть Урала 62

2.3. Геоморфологические особенности Уральского складчатого пояса 64

2.4. Геологическое строение и металлогения Урала 69

2.5. Гидрогеологические условия Уральского региона 83

2.6. Инженерно-геологические условия Уральского складчатого пояса 91

2.7. Объекты горнорудного техногенеза на территории Урала 98

2.7.1. Меднорудные месторождения Урала 99

2.7.2. Золоторудные месторождения Урала 129

2.7.3. Железорудные месторождения Урала 137

Выводы по главе 2 138

ГЛАВА 3. Горнорудный техногенез постэксплуата ционной стадии на территории Урала 141

3.1. Результаты обследования остановленных и затопленных рудников Урала 141

3.2. Природно-техногенные геологические процессы пассивной стадии техногенеза 183

3.3. Горнорудный цикл техногенеза 197

Выводы по главе 3 200

ГЛАВА 4. Подземные водоносные системы в условиях техногенеза горнорудного профиля 202

4.1. Техногенный водоносный горизонт и его типы 204

4.2. Природно-техногенные подземные водоносные системы горнорудного профиля 213

4.3. Гидродинамические аспекты формирования природно-техногенных ПВС 219

4.3.1. Самозатопление шахтных полей 220

4.3.2. Формирование излива шахтных вод на поверхность земли 224

4.4. Техногенное преобразование ПВС на Дегтярском месторождении 230

Выводы по главе 4 235

ГЛАВА 5. Гидрохимические аспекты пассивной стадии горнорудного техногенеза на Урале 237

5.1. Эмпирические данные о химическом составе рудничных вод пас сивной стадии 238

5.1.1. Колчеданные рудники Урала 239

5.1.2. Гумешевское месторождение меди 250

5.1.3. Золоторудные месторождения Урала 253

5.2. Гидрогеохимические процессы пассивной стадии горнорудного

5.2.1. Сернокислотное выщелачивание 264

5.2.2. Вторичное минералообразование, растворение и смешение 268

5.3. Анализ экспериментальных данных по геохимии рудничных во природно-техногенных ПВС 271

Выводы по главе 5 276

ГЛАВА 6. Техноприродные геологические опасно сти на территории затопленных рудников урала, их прогнозирование и мониторинг 277

6.1. Группировка техноприродных геологических опасностей на территории затопленных рудников Урала 278

6.2. Прогнозирование техноприродных геологических опасностей 286

6.2.1. Зонирование территории по техноприродной геологической опасности как метод их прогноза 287

6.2.2. Группы сложности гидрогеологических условий рудников на стадии их «мокрой» ликвидации и консервации 292

6.3. Мониторинг территорий затопленных рудников Урала 300

6.4. Рекультивация территории затопленных рудников Урала 310

Выводы по главе 6 318

Заключение 321

Список литературы

• Изученность техногенеза постэксплуатационной стадии
• Гидрогеологические условия Уральского региона
• Природно-техногенные геологические процессы пассивной стадии техногенеза
• Формирование излива шахтных вод на поверхность земли

Введение к работе

Актуальность. Уральский складчатый пояс относится к старейшим горнодобывающим регионам не только России, но и мира, являясь одним из центров горно-металлургического производства с эпохи раннего металла (Горная энциклопедия…, 1989). Остановка и закрытие любого горного предприятия является неизбежным историческим фактом, после которого возникает необходимость рекультивации и реабилитации нарушенных земель, гидросферы и массива горных пород. За продолжительную историю освоения уральских рудных месторождений, по данным Л.Н. Овчинникова (1998), отработано более 200 объектов. В результате горными работами нарушены участки недр разной площади от первых до сотен квадратных километров часто с крайне низким уровнем рекультивации. Ведущим способом последнего, как показали работы Уральской комплексной геолого-съемочной экспедиции (П.А. Матвейчук, В.А. Вахрушев, 1976), реализована «мокрая» консервация или ликвидация (МЛ) рудников.

Для характеристики техногенных геохимических ландшафтов, возникших в результате горного производства, А.Е. Ферсманом предложен термин «техногенез», впоследствии получивший широкое применение и развитие.

Массовая остановка и закрытие рудников на Урале, как и в других горнодобывающих регионах России и СНГ, произошли в последней четверти XX и начале XXI в. В первую очередь закрывались старые горнодобывающие предприятия на территории Среднего Урала, с длительной историей горнодобычных работ. Отличительной особенностью остановленных горных объектов указанного периода является масштаб горного техногенеза: большие глубины и огромные подработанные площади, часто сопряженные с селитебными зонами. На Урале это города Верхняя Пышма, Дегтярск, Кировград, Краснотурьинск, Красноуральск, Копейск, Нижний Тагил, Полевской и др. В результате проявления негативных геологических процессов на указанных территориях, особенно при наличии старых неглу-бокозалегающих подземных горных выработок, спровоцирована крайне напряженная экологическая, а иногда и социальная ситуация, что определяет актуальность поставленной тематики работ.

В этот период геоэкологическими исследованиями на горных объектах Урала в связи с прогнозом их МЛ и после занимались И.В. Абатурова, Р.Ф. Абдрах-манов, А.А. Арзамасцев, Л.И. Афанасиади, Г.Н. Беляев, С.М. Блинов, А.И. Вишняк, А.Я. Гаев, О.Н. Грязнов, О.М. Гуман, С.Г. Дубейковский, С.Н. Елохина, А.И. Заболоцкий, О.В. Зотеев, К.К. Имайкин, А.К. Имайкин, В.Н. Катаев, А.И. Макаров, В.П. Новиков, С.В. Палкин, В.Г. Попов, С.С. Потапов, Ю.С. Рыбаков, Л.С. Рыбникова, Н.В. Савеня, А.И. Семячков, Л.С. Табаксблат, И.А. Четверкин и др. В результате накоплен достаточный объем эмпирического материала, который мотивировал автора к его обобщению и анализу (2001, 2004, 2007 и др.).

Общенаучная значимость выполненных исследований обусловлена разработкой научно-методических основ оценки и прогнозирования опасных природно-техногенных геологических процессов при «мокрой» ликвидации (консервации) остановленных рудников в условиях Уральского складчатого пояса в зависимости от техногенного преобразования гидрогеологических структур и систем.

Установленные особенности техногенного преобразования подземной гидросферы позволяют решать ряд важных прикладных задач, таких как прогноз гидрогеоэкологических последствий остановки и МЛ подземных рудников на Урале, зонирование техноприродных геологических опасностей на подработанном пространстве; планирование рационального использования, рекультивации и мониторинга нарушенных земель и искусственных подземных пространств и т.д.

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

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

Предмет исследования: состояние изученности техногенеза на территории затопленных рудников; геологические процессы на территории затопленных рудников Урала; гидрогеологические и гидрогеохимические аспекты техногенеза горнорудного профиля; техноприродные геологические опасности на территории остановленных рудников Урала, их рекультивация и мониторинг.

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

Основные задачи исследований:

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

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

теоретическое, экспериментальное и опытное исследования гидродинамических и гидрогеохимических условий на пассивной стадии горнорудного техно-генеза на территории Урала;

исследование связи техноприродных геологических опасностей от природно-техногенных подземных водоносных систем горнорудного профиля для условий Уральского складчатого пояса;

систематизация направлений реабилитации и рекультивации подработанных территорий;

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

Фактическим материалом для диссертационной работы послужили результаты работ различной направленности, выполненные автором в Уральской гидрогеологической экспедиции за период с 1986 по 2013 гг., а также научно-исследовательской деятельности в Уральском государственном горном универси-

тете в 1998 - 2013 гг. В течение этого времени автором обследованы территории большинства рудников Урала как на стадии их работы, так и после её завершения. В результате подготовлены: экспертные заключения на МЛ Березовского, Дегтяр-ского, Гумешевского и Крылатовского подземных рудников, выполнены циклы мониторинговых наблюдений на них; проекты мониторинга состояния подземных вод на территории Пышминско-Ключевского медно-кобальтового месторождения (г. Верхняя Пышма) и др.; отчет по результатам геоэкологического мониторинга Уральского полигона аэрокосмического мониторинга, включая г. Нижний Тагил (рудники Высокогорский, Естюнинский, Лебяжинский, III Интернационала и др.), г. Кушву (Гороблагодатский и Валуевский рудники) и др. объекты; отчеты по оценке запасов подземных вод ряда месторождений пресных подземных вод (МППВ), в том числе Ежовского, находящегося в зоне влияния Ломовского и Ново-Ежовского затопленных рудников, Богомоловского МППВ, приуроченного к шахтному полю одноименного затопленного рудника и др.; отчет по обобщению опыта ликвидации (консервации) горных выработок и их влияния на подтопление застроенных территорий Свердловской области; мелкомасштабные карты экзогенных геологических процессов и подверженности населенных пунктов Уральского региона опасным инженерно-геологическим процессам в составе всероссийского картографирования и целый ряд других работ.

Методы исследований. В процессе выполнения исследований применялись: гидрогеологические, инженерно-геологические, ландшафтно-геохимические съемки различных масштабов (от детальных до мелкомасштабных), комплекс стандартных полевых методов исследования (бурение, опытные откачки, каротажные исследования, геохимическое опробование дренажных, рудничных, подземных и поверхностных вод, донных отложений и др., гидрометрические работы, химико-аналитические исследования в аккредитованных лабораториях по аттестованным методикам, морфометрический метод реконструкции зеркала подземных вод и др.); теоретическое обобщение собственных материалов, а также опубликованных и фондовых данных; методы гидродинамического и термодинамического моделирования с использованием ГИС-технологий и др. Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработаны научно-методические основы выделения пассивной стадии техно-генеза горнорудного профиля на постэксплуатационном этапе освоения месторождения, описываемые эвристической моделью развития геосреды в условиях тех-ногенеза.

2. Предложена понятийная база для характеристики постэксплуатационной стадии техногенеза: уточнено понятие «техногенного водоносного горизонта» и предложена типизация объектов; обосновано выделение «природно-техногенной гидрогеологической структуры» (ПТ ГГС); конкретизированы её отличия от «природно-техногенной подземной водоносной системы» (ПТ ПВС).

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

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

5. Доказано, что ПТ ГГС затопленных рудников Урала своей гиперпроницаемостью нарушают природную вертикальную гидродинамическую зональность и

создают в разрезе специфические по гидрогеохимическому и геотемпературному признакам зоны.

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

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

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

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

Практическая значимость работы

1. Разработаны основы комплексного прогноза техногенеза при мокрой ликвидации рудников Урала.

2. Предложены критерии оценки необратимости техногенного преобразования гидрогеологических условий.

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

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

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

6. Конкретизированы требования к системе мониторинга затопленных рудников в зависимости от сложности гидрогеологических условий и методика его реализации на конкретных объектах Урала.

Реализация результатов исследований

7. Выявленные закономерности развития техногенеза пассивной стадии использованы при подготовке официальных экспертных заключений прогноза гидрогеологических и геоэкологических последствий затопления Гумешевского, Дегтярско-го, Березовского и Крылатовского рудников. Последующие наблюдения подтвердили принципиальную правильность спрогнозированных гидрогеоэкологических сценариев затопления. На Крылатовском руднике в 2011 г. успешно реализована предложенная схема защиты жилого поселка от подтопления.

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

9. Разработанные методические подходы и научные положения использованы для оценки запасов МППВ в пределах затопленных рудников (Богомоловский), а также на других нарушенных, в том числе водоотбором, участках (Ежовское, Мазу-линское, Верхне-Чусовское, Верхне-Бобровское и другие МППВ).

10. Предложения по выделению МППВ в границах затопленных шахтных полей

использованы во «Всероссийском классификаторе месторождений для целей государственного мониторинга состояния недр» (ФГУГП «Гидроспецгеология», 2007).

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

Основные защищаемые положения:

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

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

13. Формирование природно-техногенной подземной водоносной системы сопровождается периодами гидродинамической и гидрогеохимической нестабильности. Продолжительность первого на Урале определяется условиями притока природных вод на границах системы затоплением двух гидродинамических зон: выше и ниже местного базиса дренирования; второго - обусловлена ведущими геохимическими процессами, изменяющимися в зависимости от внутренних и внешних источников взаимодействия «вода-порода». При этом ПТ ПВС нарушают природную гидродинамическую и гидрохимическую зональность, создавая в результате их гиперпроницаемости особый характер водообмена.

4. Горнорудный техногенез создает комплекс техноприродных геологических
опасностей (ТПГО), зависящих от сложности природно-техногенных гидрогеоло
гических условий. Оценка территорий по степени опасности включает выделение
внутренней, внешней и замыкающей зон, проведение гидродинамического, вод-
нобалансового и гидрохимического прогнозов на основе комплексного монито
ринга, дифференцированного по зонам ТПГО, и разработку реабилитационных
мероприятий.

Апробация работы. Основные результаты научных исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на 38 международных, всероссийских и региональных конференциях, совещаниях и симпозиумах. Основные из них: Всероссийский съезд геологов и научно-практическая конференция «Геологическая служба и минерально-сырьевая база России на пороге XXI века (Санкт-Петербург, 2000 г.), международный симпозиум «Инженерно-геологические проблемы урбанизированных территорий» (Екатеринбург, 2001 г.), международная научно-практическая конференция «Техногенная трансформация геологической среды» (Екатеринбург, 2002 г.), Всероссийские конференции

«Риск-2003», «Риск-2006», «Риск-2009» (г. Москва), годичные сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии «Сергеевские чтения» (Москва, 2002, 2004, 2005, 2007, 2009, 2012, 2013 гг.), международный симпозиум «Карстоведение – XXI век: теоретическое и практическое значение» (Пермь, 2004 г.), конференция «Развитие научных идей А.М. Овчинникова в гидрогеологии» (Москва, 2005 г.), Internation symposium on «Latest natural disasters-new challenges for engineering geology, geotechnics and civic protection” (София, Болгария, 2005 г.), XVIII и XIX Совещания по подземным водам Сибири и Дальнего Востока (Иркутск, 2006 г., Тюмень, 2009 г.), международный симпозиум «Будущее гидрогеологии: Современные тенденции и перспективы» (Санкт-Петербург, 2007 г.), Российская научная конференция «Гидрохимия осадочных бассейнов» (Томск, 2007 г.), 1-й Уральский международный экологический конгресс «Экологическая безопасность горнопромышленных регионов» (Екатеринбург, 2007 г.), Международная научно-практическая конференция «Подземные воды – стратегический ресурс устойчивого развития Казахстана» (Алматы, 2008 г.), Всероссийская конференция с участием международных ученых «Геологическая эволюция взаимодействия воды с горными породами» (Томск, 2012 г.), Международный конгресс «Water Rock Interaction [WRI 14]» (Авиньон, Франция, 2013 г.).

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

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

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, включающего 286 наименований. Работа изложена на 352 страницах текста, содержит 79 рисунков и 31 таблицу.

Изученность техногенеза постэксплуатационной стадии

Горные породы, подземные воды, природные газы, как основные компоненты литосферы, во взаимодействии с биотой (микроорганизмами) [222], под воздействием внешних факторов, ответственных за тепло- и массоперенос, формируют динамически равновесно-неравновесную природную систему, определяющую направление и скорости эволюции литосферы [33, 100]. Основным ингредиентом системы, посредством которого осуществляется энерго- и массоперенос, являются подземные воды [235, 236, 237].

Любая техногенная нагрузка в результате инженерно - хозяйственной деятельности человека приводит к тем или иным изменениям в литосфере, нарушая природное динамическое равновесие [197]. Последнее проявляется в активизации природных и техногенных процессов, формировании техногенных геохимических ландшафтов и т.п. [174, 226]. В целом, изменяются скорость и характер эволюционной динамики литосферы. Геогенез верхней части литосферы на таких территориях уступает место техногенезу [94].

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

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

Воздействие техногенеза на подземные воды и окружающую среду в своей работе по истории природных вод в 1933 году описал академик В.И. Вернадский следующим образом: «…вся природа плейстоцена, вся биосфера меняется деятельностью человечества. …Начало процесса теряется в седой исторической древности Египта, Месопотамии, Средней Азии… В XIX и XX вв. кривая изменения небывало резко поднялась вверх, охватив всю биосферу. Этот процесс идет вглубь, меняет режим пластовых вод ... Тысячелетия идет изменение верховодок – вод грунтовых, позже началось изменение бурением и рудным делом вод пластовых напорных. Сейчас оно местами сказывается глубже двух километров от земной поверхности. На всей биосфере исчезают и изменяются старые виды поверхностных вод, пластовых вод, вод почв и источников. Создаются новые культурные воды» [24, с. 86-88].

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

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

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

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

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

При этом геохимические процессы в техногенных ландшафтах есть прямое продолжение горных работ и техногенных процессов в литосфере, составляя в совокупности горнорудный тип техногенеза. Формируется особый ландшафт не только по геохимическим, но и географическим оценкам.

Выделение типов техногенеза выполнено Н.И. Плотниковым по совокупности техногенных процессов в прямой зависимости от сложности и формы воздействия инженерной деятельности (Таблица 1.1). Техногенез горнорудной промышленности, занимающий первую строчку в таблице, приобретает следующие особенности [174]: формирование на поверхности техногенного ландшафта, включая геохимическое и гидрогеохимические его аспекты, и, как следствие, загрязнения геологической среды, в том числе, почв, поверхностных и подземных вод; формирование техногенного поля напряжений в горном массиве, приводящих к развитию техногенной трещиноватости и деформации поверхности земли. Известно, что процесс отработки месторождения, даже если он организован с учетом самых передовых технологий, дестабилизирует массив горных пород и вызывает активизацию экзогенных и, даже, эндогенных процессов [200];

Гидрогеологические условия Уральского региона

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

Ведущую роль в исследовании геохимических аспектов проблемы принадлежит работам М.А.Глазовской, Ю.Е. Саета, С.С. Смирнова и др., гидрогеологических и гидрогеоэкологических – В.М. Гольдберга, В.П. Зверева, В. А. Мироненко, Г.Н. Кашков-ского, Ю.А. Норватова, Е.В. Пиннекера, Б.И. Писарского, Н.И. Плотникова и др., инженерно-геологических - Г.А. Голодковской, В.И. Осипова В.Е., Трофимова и др. На Урале указанной тематике посвящены работы И.В. Абатуровой, Р.Ф. Абдрахманова, Л.И. Афанасиади, Г.Н. Беляева, С.М. Блинова, С.Н. Волкова, А.И. Вишняка, Г.А. Вострокну-това, А.Я. Гаева, Н.С. Глазыриной, О.Н. Грязнова, О.М. Гуман, С.Г. Дубейковского, С.Н. Елохиной, Э.Ф. Емлина, А.И. Заболоцкого, О.В. Зотеева, К.К. Имайкина, Р.Ф. Крушатина, А.Б. Макарова, Ю.В. Михайлова, В.П. Новикова, С.В. Палкина, В.Г. Попова, С.С. Потапова, И.И. Плотникова, Ю.С. Рыбакова, Л.С. Рыбниковой, А.И. Семячков, А.П. Сирмана, О.В. Славиковского, Н.С. Шабалиной, В.А. Чеснокова, Л.С. Табаксблата и др.

Анализ таблицы 1.2 свидетельствует, что максимальные по площади изменения свойств литосферы и окружающей природной среды связаны с дренажными мероприятиями по осушению горных выработок (комплекс процессов № 1). В динамике процесса осушения выделяются две фазы: в первую фазу горные работы расположены выше местного базиса эрозии; источниками обводнения горных выработок являются естественные ресурсы и запасы подземных вод; на фоне естественного потока подземных вод под влиянием шахтного водоотлива формируется локальный техногенный фильтрационный поток, контуры которого вызывают ограниченное осушение компонентов ОС; во вторую фазу осушения снижение уровня подземных вод достигает значительных глубин; в балансовую структуру источников обводнения привлекаются поверхностные воды прилегающих рек, родниковый сток, грунтовые воды аллювиальных отложений; происходит отрыв депрессионной воронки от речных долин и её региональное развитие.

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

Снижение уровня подземных вод на больших площадях, кроме того, приводит к осушению почвенно-растительного слоя, ухудшению питания растительных сообществ, снижению бонитета лесных насаждений, осушению болот, занимающих важное место в биогеоцинозах [46, 100, 174]. Химический состав растений на промышленных отвалах железорудных, никелевых, медных, угольных и др. месторождений Урала отличается повышенным накоплением кобальта, никеля, хрома, ванадия, меди, молибдена, свинца, титана [139]

Опасной является техногенная активизация суффозионно-карстовых процессов, которые могут развиваться в краевых частях депрессионных воронок рудничного водоотлива за пределами горного и земельного отвода горнодобывающих предприятий, что затрудняет их прогноз и контроль. Обычно процессы техногенного карста и суффозии происходят на пойменных участках речных долин (СУБР и др.).

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

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

Оползневые процессы на бортах карьеров и провалов в пределах Уральских складчатых структур обычно формируют мелкие тела, которые устраняются их укреплением (Рисунок 1.2).

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

Как отмечалось выше при описании старых Сернистых рудников в Самарской области и рудников на побережье Белого моря, в пределах техногенной зоны аэрации происходит не только окисление и вынос минеральных образований, но и накопление вторичных минералов. На Урале описание вторичных минералов на разрабатываемых мед 26 но-колчеданных месторождениях выполнено Е.В. Белогуб, Е.П. Щербаковой, Н.К. Ни-кандровой, а на угольных - В.А. Чесноковым (горелые отвалы), С.С. Потаповым и др.

Ещё одним опасным техногенным процессом горнорудного техногенеза являются горные удары. «Чемпионом» по этому показателю признаны Северо-Уральские бокситовые рудники, где наблюдены техногенные месторождения интенсивностью до 3 баллов [270].

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

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

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

Природно-техногенные геологические процессы пассивной стадии техногенеза

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

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

Самая сильная сторона работ Ю.А. Норватова и И.Б. Петровой заключается в разработке и усовершенствовании методики численного моделирования процесса затопления шахтных полей в нестационарной постановке. Работы выполнялись на конкретных объектах Восточного Донбасса. Затапливаемые шахты представлялись как особые природно-техногенные гидрогеологические структуры, сформированные при ведении очистных горных работ. Установлено, что гетерогенность техногенных комплексов и водо-насыщенность перекрывающего породного массива определяют характер затопления при стабилизации водопритоков через 800-1000 суток после начала процесса затопления. Далее объем водопритоков на исследованных объектах уменьшается до 100-200 м3/сут [155]. В последней работе предложены аналитические зависимости для прогноза времени затопления применительно к трем типовым гидродинамическим схемам природно-техногенных гидрогеологических структур Восточного Донбасса. Тестовыми расчетами доказано влияние упругоёмкости перекрывающего породного массива на скорость затопления: чем выше упругоёмкость, тем медленнее процесс затопления. Например, при коэффициенте упругоёмкости = 10-6 1/м скорость подъема составила 0,15 м/сут, а при увеличении упругоёмкости до 10-5 и 10-3 1/м скорость затопления снижается до 0,1 м/сут. Не учет упругоёмкости перекрывающего породного массива для геологических условий Восточного Донбасса создает погрешности прогноза затопления до 50 %. Следует отметить, что для рудников Урала учет упругоемкости перекрывающего массива, из-за геологических особенностей территории, не столь значим.

Изложенный подход был реализован при прогнозе затопления Ленинградского месторождения горючих сланцев (шахты им. Кирова и Ленинградская) с прогнозом фенольного загрязнения, являющегося продуктом переработки горючих сланцев [156, 168]. Натурные наблюдения показали, что затопление горных выработок приводит к повышению концентрации летучих фенолов и тяжелых металлов в шахтных водах, за счет ин-фильтрационного загрязнения из снегового покрова. По результатам численного моделирования через три года после затопления шахт в подземных водах кукерского и таллинского горизонтов, используемых для водоснабжения г. Сланцы, ожидается превышение ПДК по содержанию фенолов и некоторых тяжелых металлов.

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

По данным затопления угольных шахт Стахановско-Брянского региона Восточного Донбасса, проанализированных Черниковой С.А., скорость водоподъема изменялась от 0,2 до 8,0 м/сут с максимальными значениями в зонах наибольшей нарушенности массива [230]. Ею выполнена классификация объектов затопления на 3 группы по горно-геологическим параметрам. Объекты I группы с коэффициентами фильтрации 0,005 37

0,09 м/сут затопляются со скоростью 0,05-1,09 м/сут.; II группы – при коэффициенте фильтрации 0,35-46,4 м/сут, со скорость затопления 0,08-5 м/сут; III группы - соответствующие значения 0,5-3,8 м/сут и 0,3-0,87 м/сут. Естественно, подобные оценки носят индивидуальный характер, поскольку комплекс факторов включает как горногеологические, так и климатические факторы, сочетание которых на каждом объекте индивидуально.

Последствия затопления 43 шахт Кузбасса рассмотрены в работах В.М. Лювига. Угольные шахты отрабатывались от 30-40 и до 100 лет, имели глубину 300-400 до 700 м, площадь горных выработок - от единиц до десятков квадратных километров, различное геоморфологическое расположение (от долин I-го порядка до водоразделов и приводо-раздельных склонов) [137, 138].

Шахты затапливались двумя способами. Во-первых, с полным заполнением естественным путем, во-вторых, с частичным затоплением до обоснованных безопасных отметок и последующим их поддержанием путем водоотлива или самопроизвольного перетока на соседние действующие шахты.

Среди неблагоприятных процессов на территории Кузбасса особую опасность создает подтопление, которое развивается не только и не столько в пределах горного отвода шахт, но в первую очередь, на периферии депрессионных воронок в пределах речных долин, где иногда восстанавливается родниковая разгрузка (например, долина р. Аба в зоне влияния шахты им. Орджоникидзе и др.). Одним из факторов, обостряющих процесс подтопления, является усиление инфильтрационного питания, которое в весенний период при снеготаянии возрастает в 3-5 раз (по мнению автора, яркое свидетельство изменение общего водного баланса территории). Хочется подчеркнуть, что усиление инфильтрационного питания в 2-3 раза до предельных значений общего стока также было обосновано автором на Среднем Урале в границах шахтного поля ликвидированного Богомоловского рудника [72, 257].

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

Формирование излива шахтных вод на поверхность земли

Коренные породы почти повсеместно покрыты чехлом элювиально- делювиальных отложений мезо-кайнозойского возраста, представленных суглинками и супесями мощностью от 10-40 м и до 150 м в зонах контактов кварцевых диоритов с известняками, где образовались глубокие впадины, заполненные продуктами разрушения коренных пород карстового происхождения (медистые глины).

Одна из таких впадин, расположенная в центре месторождения на западном контакте мраморизованных известняков с диоритами, выполнена пиритной «сы-пучкой», переходящей в охристо-бурые глины с большим (до 40 %) количеством бурого железняка и обохренных диоритов, сменяющиеся почти на 100 % выходящими на поверхность бурыми железняками. Благодаря химическому и механическому выветриванию рудных скарнов глины являются рудоносными породами. Нижняя граница меденосных глин достигает глубины свыше 100 м.

Выполненное институтом «Унипромедь» исследование химического состава медистых глин показало, что основными компонентами руды являются Cu (1,07 %), Fe (15,5 %), Si (17 %) и Al (7,71 %). Низкое (0,07 %) содержание серы свидетельствует, что медь и железо в медистых глинах представлены окисленными формами. Кроме того, для рудных отложений характерно повышенное содержание элементов-индикаторов медного оруденения – цинка, свинца, бария, кобальта, молибдена, мышьяка (Таблица 2.6).

Обводненность и фильтрационные свойства кварцевых диоритов крайне неравномерны и изучались при разведке месторождения скарновых руд Уральской гидростанцией (1941-1942).

Зона активной трещиноватости установлена до глубины 60-70 м. Кроме мелких трещин и приконтактовых зон повышенной трещиноватости в этих породах наблюдаются зоны рассланцевания меридионального направления (мощностью до нескольких сантиметров), являющиеся основными каналами для циркуляции подземных вод. На контакте с известняками диориты часто разрушены на большую глубину и представляют собой породы типа плывунов. Средняя величина коэффициента фильтрации кварцевых диоритов – 0,14 м/сут по простиранию и 0,06 м/сут – вкрест простирания пород.

Скарны, залегающие в диоритах, отличаются слабой водоносностью, при контакте с известняками - наиболее разрушены, выщелочены и являются хорошими проводниками подземных вод. Скважинами и горными выработками наряду с массивными, плотными скарнами вскрываются сильно трещиноватые и выщелоченные участки пород на глубинах до 250-440 м. Учитывая небольшую фоновую водоносность кварцевых диоритов, шахты и квершлаги Гумешевского рудника преимущественно были пройдены по диоритам.

Показатели Единицы изм. Содержание в медно-скарновой руде Содержаниев отвальныххвостах КларковоесодержаниеПоА.Е.Ферсману Максимальный кларк концентрации в руде (в хвостах)

В целом на месторождении фильтрационные свойства пород характеризуются относительно небольшими величинами (средний коэффициент фильтрации коренных пород составляет 0,2-0,7 м/сут), то в зоне контакта дайки кварцевых диоритов с вмещающими известняками водообильность пород (даже в их естественном залегании) резко увеличивается (до 6,0 м/сут). Коэффициент фильтрации покровных элювиально-делювиальных песчано-глинистых отложений на площади по имеющимся данным изменяется от 0,003 до 0,2 м/сут.

Зеркало подземных вод в пределах рассматриваемой территории в сглаженной форме повторяет рельеф местности, то есть подземные воды в соответствии с рельефом двигаются от водораздела к урезу воды в объектах поверхностной гидросети. Однако на участках распространения закарстованных пород данная закономерность нарушается сдвигом подземного водораздела относительно поверхностного, наличием особых зон разгрузки подземных вод в виде сильно закарстованных и ослабленных зон, а также изменением на отдельных участках под их влиянием общего направления движения подземных вод.

В целом, гидрогеологические условия Гумешевского месторождения характеризуются как очень сложные.

Характеристика инженерно-геологические условия территории Гумешевско-го рудника приводится по материалам ООО «Уралгеопроект» [278]. Скальные породы залегают в основании коры выветривания и представлены, в основном, мраморами и диоритами. Плотность скальных пород зависит от содержания рудного минерала и изменяется в пределах 2,83-3,54 г/см3; водопоглощение пород низкое до 4,08 %; прочность на растяжение от 1,69 МПа до 18,15 МПа; прочность на сжатие – 31,9-193,5 МПа. Устойчивость скальных пород в массиве зависит от степени их трещиноватости и закарстованности (у мраморов).

Глинистые элювиально-делювиальные грунты подразделяются на суглинки и супеси. Суглинки, в основном, твердой консистенции легкие пылеватые, есть дресвянистые (содержание фракции 2 мм – более 25 %) и песчанистые (содержание фракции 0.05 мм - более 40%). Плотность суглинков изменяется от 1,81 до 2,22 г/см3, пористость 0,33-0,52, коэффициент фильтрации по лабораторным исследованиям n 10-4 м/сут. Супеси твердой консистенции, пылеватые, есть с дресвой и щебнем. Плотность супесей изменяется от 1,65 до 1,89 г/см3, пористость 0,325 113 0,398, коэффициент водонасыщения от 0,714 до 0,978, коэффициент фильтрации по лабораторным исследованиям n 10-4 м/сут.

Пышминско-Ключевское медно-кобальтовое месторождение находится на территории одного из динамически развивающихся городов Свердловской области – города Верхняя Пышма, в 12 км севернее г. Екатеринбурга, на левобережном склоне р. Пышмы (Рисунок 2.14). В орографическом отношении район находится в пределах территории выравненного увалистого рельефа восточного склона Среднего Урала. Он характеризуется слабохолмистым рельефом с абсолютными отметками от 240 до 310 м. Основной дреной района является р.Пышма, слабо врезанная и имеющая ширину до 700-1000 м. Ее пойма повсеместно заболоченна. Река берет начало из оз. Ключи, расположенного в котловине Молебского болота. Абсолютная отметка уреза воды р. Пышмы на истоке - 252 м. Она протекает с северо-запада на юго-восток рядом с городской территорией, в непосредственной близости от южного фланга месторождения.

Водосборная площадь реки на выходе из оз. Ключи составляет 40 км2. Норма стока с указанной территории определена в 3,1 л/с км2, а в год 95% обеспеченности сток реки оценивается в 1,46 л/с км2 [256]. Среднегодовой расход реки составляет 124 л/с и 58,4 л/с соответственно. Русло р. Пышмы в районе г. В.Пышма претерпело существенное техногенное изменение.

В структурном отношении участок работ расположен в крайней восточной части Свердловского синклинория в восточном крыле Пышминской синклинали, сложенной ордовикско-девонскими образованиями с крутым западным до вертикального падением пород.

Пышминско-Ключевское медно-кобальтовое месторождение приурочено к восточному контакту Балтымского габброво-диоритового массива с вулканогенно-осадочными породами силурийского возраста, представленными порфировыми базальтами, туфами, туфопесчаниками с горизонтами туфоалевролитов, туффитов и др. (Рисунок 2.15). Рудное поле с запада и востока ограничено Балтымским и Шу-вакишским габбровыми массивами, с востока – узким субмеридиональным телом серпентинитов, фиксирующим Верхисетский разлом. Рудовмещающие породы сильно изменены процессами метаморфизма.