Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние проблемы в области рекультивации нарушенных земель при ликвидации угледобывающих предприятий ... 10
1.1 Положение угледобывающей промышленности России и масштабы ее влияния на геологическую среду 10
1.2. Задачи инженерной геологии в период рекультивации открытых горных работ 18
1.3. Актуальные проблемы рекультивации территории Богословского буроугольного месторождения 29
1.4. Выводы по первой главе 40
Глава 2. Анализ инженерно-геологических условий Богословского буроугольного месторождения и результатов мониторинга их изменения в период водохозяйственной рекультивации карьера «Южный» 42
2.1. Инженерно-геологические условия Богословского буроугольного месторождения 42
2.2. Структура мониторинга восточного борта карьера «Южный» 61
2.3. Анализ режимных наблюдений за изменением уровней подземных вод при затоплении карьера «Южный» 66
2.4. Анализ инструментальных наблюдений за деформациями восточного борта и прилегающей территории 71
2.5. Выводы по второй главе 80
Глава 3. Прогноз развития инженерно-геологических процессов и явлений в прибортовом массиве и на прилегающей территории при затоплении карьера «Южный» 83
3.1. Общие положения прогноза развития инженерно-геологических процессов и явлений в прибортовых массивах при затоплении открытых горных выработок 83
3.2. Прогноз изменения устойчивости восточного борта карьера при его затоплении 94
3.3. Прогноз деформаций земной поверхности при затоплении карьера «Южный» 100
3.4. Выводы по третьей главе 114
Глава 4. Разработка рекомендаций по инженерно-геологическому обеспечению ликвидационных и рекультивационных работ на месторождениях, разрабатываемых открытым способом 115
4.1. Обоснование структуры системы инженерно-геологического обеспечения ликвидации открытых горных работ 115
4.2. Инженерно-геологический мониторинг рекультивируемых территорий 121
4.3. Рекомендации по разработке гидроегомеханической модели 125
4.4. Выводы по четвертой главе 128
Заключение 129
Список литературы 131
Приложение 1 145
Приложение 2 150
- Задачи инженерной геологии в период рекультивации открытых горных работ
- Структура мониторинга восточного борта карьера «Южный»
- Прогноз изменения устойчивости восточного борта карьера при его затоплении
- Инженерно-геологический мониторинг рекультивируемых территорий
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время на территории стран СНГ функционируют более 5000 карьеров по добыче различных полезных ископаемых [57]. Вместе с тем, в России наблюдается планомерное повышение доли открытого способа добычи угля, и по прогнозам академика К.Н. Трубецкого и чл.-корр. Ю.Н. Малышева его доля к 2020-2030 гг. возрастет до 70-75 % от общей добычи, которая достигнет 450-550 млн. тонн в год [69]. Вследствие этого, остро встает вопрос об ограничении негативных последствий открытых горных работ и рациональном использовании нарушенных при разработке месторождений территорий. Одна из главных задач при этом состоит в обеспечении безопасности рекультивационных работ и последующего использования отработанных карьеров и прилегающих к ним территорий.
В большинстве случаев открытые горные работы ведутся в густонаселенных районах, а иногда и в непосредственной близости к населенным пунктам. После остановки горных работ закрытие большей части карьеров выполняется посредством их затопления подземными и поверхностными водами, что приводит к значительным изменениям инженерно-геологических условий прилегающих территорий и существенно сказывается на их использовании и дальнейшем освоении.
Такая ситуация сложилась при затоплении карьера «Южный», отрабатывавшим основное поле Богословского буроугольного месторождения на протяжении почти 90 лет. На восточном борту карьера расположены промышленные и гражданские здания и сооружения г. Карпинск, что предъявляет повышенные требования к работам по ограничению деформаций борта и прилегающей полосы земной поверхности. В этой связи становится важным прогноз влияния ликвидации открытых горных работ на развитие и распространение опасных геологических процессов, способных повлиять на инженерно-геологические условия эксплуатации подлежащих сохранению зданий и сооружений.
Решению различных проблем предотвращения и профилактики отрицательных последствий открытой разработки месторождений посвящены труды многих отечественных специалистов: П.Н. Патокова, Г.Г. Скворцова, М.В. Сыроватко, Г.Л. Фисенко, В.А. Мироненко, И.П. Иванова, A.M. Гальперина, В.И. Стрельцова, Ю.И. Кутепова, Ю.А. Норватова, М.Е. Певзнера, Б.Г Афанасьева и др. При этом научно-методические принципы инженерно-геологического обеспечения ликвидации открытых горных выработок и мониторинга безопасности на основе постояннодействующих моделей геологических процессов, развивающихся при рекультивации карьеров, разработаны в недостаточной степени.
Цель работы состоит в обеспечении промышленной и экологической безопасности водохозяйственной рекультивации за счет разработки инженерно-геологического обоснования и методики оценки и прогноза развития опасных геологических процессов на карьере «Южный» и прилегающих территориях при восстановлении напоров подземных вод.
Идея работы. Основой для обеспечения безопасности в период выполнения рекультивационных работ являются результаты инженерно-геологических оценок и прогнозов устойчивости бортов карьеров и деформаций прилегающих территорий с привлечением численного моделирования и при обязательном выполнении мониторинга.
Основные задачи исследований:
- дать оценку инженерно-геологических условий, сформировавшихся при разработке Богословского месторождения, и выполнить прогноз их изменения при водохозяйственной рекультивации карьера «Южный»;
- установить закономерности развития и распространения геологических процессов и явлений, сопровождающих ликвидацию открытых горных работ;
- выполнить оценку и прогноз устойчивости бортов и деформаций на прилегающей территории в период затопления карьера "Южный";
- разработать рекомендации по инженерно-геологическому обеспечению безопасности освоения территорий, нарушенных открытыми горными работами.
Объект исследований.
В качестве объекта исследований в рамках данной работы выбрано Богословское буроугольное месторождение, где после остановки открытых горных работ было принято решение о водохозяйственной рекультивации карьера «Южный».
Методы исследований: обобщение и анализ опубликованных по теме исследований результатов других авторов; сравнительно-геологический метод; экспериментальные лабораторные и натурные исследования; аналитические методы механики сплошных сред и методы математического моделирования; сравнительный анализ результатов исследований с данными практики.
Научная новизна работы:
- уточнены представления о геологических процессах, определяющих безопасные условия освоения территорий при их водохозяйственной рекультивации;
- установлены закономерности деформирования массива горных пород при изменении напряженно-деформированного состояния в процессе затопления карьера;
- разработана гидрогеомеханическая модель восточного борта для выполнения оценок и прогнозов его устойчивости и деформаций земной поверхности прилегающей к карьеру территории при изменении гидродинамического режима;
- обоснованы научно-методические принципы инженерно-геологического обеспечения ликвидации открытых угольных выработок и методика мониторинга безопасности.
Практическая значимость работы заключается в получении значений прогнозных величин деформаций земной поверхности при затоплении карьера "Южный", разработке рекомендаций по организации мониторинга безопасности в период затопления карьеров.
Достоверность и обоснованность научных положений и рекомендаций работы подтверждается:
- теоретическим анализом инженерно-геологических процессов и явлений, возникающих при разработке месторождений полезных ископаемых;
- натурными измерениями и наблюдениями за деформациями массива горных пород и напорами подземных вод;
- численным моделированием на основе современных компьютерных технологий;
- удовлетворительной сходимостью расчетных и фактических значений деформаций массива при изменении гидродинамического режима на восточном борту карьера «Южный».
Личный вклад автора выражается:
- в анализе и обобщении существующих методов оценки напряженно-деформированного состояния водонасыщенных прибортовых массивов горных пород;
- в участии в работах по организации мониторинга безопасности на восточном борту карьера "Южный";
- в выявлении закономерностей деформаций прибортового массива горных пород;
- в создании численной модели для прогноза деформаций борта и прилегающей территории при затоплении карьера;
- в разработке рекомендаций по инженерно-геологическому обеспечению ликвидации карьера «Южный».
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях: «Полезные ископаемые России и их освоение» (СПГГИ(ТУ), Санкт-Петербург, 2003 и 2004 г.), «Школа экологической геологии и рационального недропользования» (СПбГУ, Санкт-Петербург, 2004 г.), молодежной научной конференции в рамках Уральской горнопромышленной декады (УГГУ, Екатеринбург, 2004 и 2005 г.), "Проблемы рационального природопользования" (СПГГИ (ТУ), Санкт-Петербург, 2006 г.), а также на молодежном форуме в рамках горнометаллургической конференции в Горной академии (ТУ) (Фрайберг, 2006 г).
Публикации. Основные результаты диссертации содержатся в 6 опубликованных работах, и еще 3 работы находятся в печати.
Структура работы.
Диссертация изложена на 169 страницах, состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 136 наименований, содержит 51 рисунок, 23 таблицы, 2 приложения.
Благодарности. Автор выражает искреннюю признательность за постоянную помощь и поддержку на всем протяжении подготовки диссертационной работы научному руководителю д.г.-м.н. профессору И.П. Иванову, а также д.т.н. Ю.И. Кутепову и к.г.-м.н. Н.А. Кутеповой; за обсуждение отдельных положений работы автор благодарит к.г.-м.н. А.Н. Рюмина, к.ф.-м.н. В.А. Подольского, и всех сотрудников кафедры гидрогеологии и инженерной геологии СПГГИ (ТУ) и лаборатории гидрогеологии и экологии ВНИМИ.
Задачи инженерной геологии в период рекультивации открытых горных работ
Инженерная геология в своем развитии всегда учитывала требования, выдвигаемые строительными и горными работами. В настоящий период особо сложные, тяжелые задачи ставит горное производство в связи с восстановлением (рекультивацией) земель, нарушенных горными работами в результате разработки месторождений полезных ископаемых.
Подтверждением этого может служить статистика учета площади нарушенных земель на 1 января 2006 года по различным отраслям горнодобывающей промышленности (таблица 1.3), приведенная в Государственном докладе "О состоянии окружающей природной среды Российской Федерации в 2005 году" [26].
Сегодня при добыче 1 млн. т угля нарушается от 3 до 43 га земли, железной руды 14-600 га, марганцевой 76-600 га [57]. Доля восстановленных территорий незначительна, при этом чаще всего объектами рекультивации являются только внешние и внутренние отвалы вскрышных пород, а остальные нарушенные участки являются источниками загрязнения и дальнейшего увеличения масштабов потери земель [85].
В этой связи важным и специфическим является вопрос о рекультивации нарушенных территорий, на которых уже не ведутся горные работы [33, 129]. К этим территориям в настоящее время в большом количестве прибавляются земли, нарушенные закрытыми, из-за нерентабельности, шахтами и угольными карьерами. Сначала их ликвидации в рамках реструктуризации угольной отрасли РФ рекультивировано всего 7,1% проектного объема нарушенных земель [3].
В месте с тем, в настоящее время идет непрерывный рост нарушений территорий. Только в России под горные работы вовлечено около 3 млн. га земель [57], при этом в структуре нарушенных горным производством земель более 40 % общей площади занимают земли, нарушенные при разработке месторождений открытым (карьерным) способом, а в целом на территории стран СНГ функционируют свыше 5000 карьеров [101]. Вследствие этого, остро встает вопрос об ограничении негативных последствий открытых горных работ и рациональном использовании нарушенных при разработке месторождений территорий. Многое на этом направлении можно сделать в области инженерной геологии, в том числе и для существенного изменения баланса нарушенных и восстановленных земель в пользу последних.
Рекультивации подлежат нарушенные земли, частично или полностью утратившие свою хозяйственную ценность или являющиеся источником отрицательного воздействия на окружающую среду в результате нарушения почвенного покрова, гидрологического режима и образования техногенного рельефа в результате производственной деятельности [25]. Под рекультивацией понимают целый комплекс различных работ, направленных на восстановление и возможность нового целевого использования отработанных территорий: горно-технических, инженерно-строительных, мелиоративных, сельскохозяйственных, лесохозяиственных, озеленительных и других.
Выбор направлений рекультивации определяется в соответствии с требованиями ГОСТ 17.5.1.02-85, согласно которому нарушенные земли по направлениям рекультивации классифицируют в соответствии с табл. 1.4.
При этом необходимо согласиться с утверждением [56], что на сегодняшний день «ни в отечественной, ни в зарубежной практике еще не отработаны четкие и надежные критерии оптимизации ландшафтов путем рекультивации нарушенных и подлежащих нарушению земель». Данное обстоятельство нашло отражение в Земельном законодательстве РФ в виде правовой нормы о приоритете сельскохозяйственного использования рекультивируемых площадей, что часто противоречит конкретным социальным, экологическим и экономическим условиям района месторождения, поскольку не имеет научного обоснования [там же]. Разработка проектов рекультивации нарушенных земель по [25] должна проводиться с учетом следующих факторов: природных условий района (климатических, педологических, геологических, гидрологических, вегетационных); расположения нарушенного (нарушаемого) участка; перспективы развития района разработок; фактического или прогнозируемого состояния нарушенных земель к моменту рекультивации (площади, формы техногенного рельефа, степени естественного зарастания, современного и перспективного использования нарушенных земель, наличия плодородного слоя почвы и потенциально плодородных пород, прогноза уровня грунтовых вод, подтопления, иссушения, эрозионных процессов, уровня загрязнения почвы); показателей химического и гранулометрического состава, агрохимических и агрофизических свойств, инженерно-геологической характеристики вскрышных и вмещающих пород и их смесей в отвалах в соответствии с требованиями ГОСТ 17.5.1.03-86; хозяйственных, социально-экономических и санитарно-гигиенических условий района размещения нарушенных земель; срока использования рекультивированных земель с учетом возможности повторных нарушений; охраны окружающей среды от загрязнения ее пылью, газовыми выбросами и сточными водами в соответствии с установленными нормами ПДВ и ПДК; охраны флоры и фауны.
Структура мониторинга восточного борта карьера «Южный»
Водохозяйственное направление рекультивации нарушенных открытыми горными работами земель подразумевает постепенное обводнение прибортового массива горных пород и повышение уровня воды в карьере. Это может стать основным фактором, от которого будут зависеть устойчивость бортов, уступов и деформации земной поверхности на прилегающей территории, что обуславливает необходимость выполнения режимных наблюдений за уровнями подземных вод в сочетании инструментальными маркшейдерскими наблюдениями.
Поэтому мониторинг в период организации и проведения ликвидационных и рекультивационных работ на Богословском буроугольном месторождении включал организацию специальных наблюдений за: 1) изменением гидрогеологических и гидрологических условий; 2) фактическими деформациями прибортового массива и прилегающей территории, на которой находятся подлежащие сохранению объекты. Поскольку промышленные и гражданские здания и сооружения г. Карпинск (хлебозавод, молокозавод, электромеханический завод, ЛЭП, канализационный коллектор и др.) находятся в непосредственной близости от верхней бровки восточного борта карьера «Южный», то именно для восточного борта было очень важно осуществлять контроль его состояния. Исходя из поставленных задач, с учетом особенностей геологического строения, при разработке проекта мониторинга [ПО] были выделены 3 района по простиранию геологической структуры (длиной 5 км) и 3 зоны вкрест простирания (шириной 3 км),в пределах которых были размещены пункты гидрогеологических наблюдений. Районы: 1-ый, район северного надвига; 2-ой, центральный, крутого падения мезозойских и палеозойских пород; 3-ий, район южного надвига.
Зоны: а - восточная прибортовая, сложенная палеозойскими породами; b -восточная бортовая, сложенная мезозойскими породами и породами внутренних отвалов; с - западная бортовая, сложенная внутренними отвалами, подстилаемыми наклонно залегающими закарстованными известняками.
С целью получения достоверной информации о гидрогеологическом строении водоносных комплексов, их условиях питания и разгрузки, уровневом режиме, а также о роли подземных вод в проявлении деформаций восточного борта и прилегающей территории, в 2003-2004 гг. согласно [110] была создана режимная сеть наблюдательных пунктов.
Организация гидрогеологического мониторинга проходила в несколько этапов, и к концу 2004 г. наблюдательная сеть состояла из 8 скважин и 1 точки наблюдений за уровнем воды в карьере, оборудованных датчиками порового давления ПДС-10 и ПДС-30 по методике, разработанной в лаборатории гидрогеологии ВНИМИ. Объем работ был обусловлен сложным тектоническим строением района месторождения и слабой изученностью геологического строения восточного борта карьера.
Все восемь скважин были пройдены в толще карбонатных пород. Позже, в июне 2005 г., была оборудована одна (девятая) скважина на водоносный комплекс мезозойских отложений, но ввиду малого срока наблюдений по ней в данной работе она не рассматривается. Данные о глубинах установки датчиков и датах ввода в эксплуатацию скважин приведены в таблице 2.6.
Гидрогеологические скважины, оборудованные на восточном борту карьера «Южный» на палеозойский водоносный комплекс, были скомпонованы в 2 створа. Один створ пересекает структуру девонских известняков вкрест простирания (скважины №№ 2вн, 1вн, 5вн,) в центральной части восточного борта карьера. Второй выполнен близко к направлению простирания слоистой девонской толщи (№№ 4вн, 5вн, Звн, бвн), охватывая на протяжении 800 м прибортовой интервал этого района и, южнее 300 м от скважины №3вн -северную границу района южного надвига.
Глубина скважин определялась положением наиболее вероятной поверхности скольжения, глубиной распространения карста и положением современного уровня подземных вод (+100 м при абс. отм. поверхности +180 -+210 м). Размещение гидрогеологических скважин, оборудованных на восточном борту карьера, показано на рисунке 2.5.
Наблюдения за уровневым режимом в карьере и массиве горных пород выполнялись в основном ежедекадно в зависимости от погодных условий и обстановки на карьере (наличие аварий на забетонированном участке русла реки Турья, работы насосных станций Богословского алюминиевого завода и водозабора г. Карпинск).
Поскольку в проекте мониторинга восточного борта была принято решение о том, что необходимо увязать геомеханические и гидрогеологические исследования, то часть наблюдательных гидрогеологических скважин была размещена на осях наблюдательных линий (либо на максимальном приближении к ним), по которым осуществлялся контроль деформаций борта карьера и прибортовой полосы земной поверхности. Деформации оценивались с помощью проведения серий инструментальных наблюдений за пространственным расположением реперов, сосредоточенных на пяти наблюдательных линиях, размещенных вкрест простирания восточного борта карьера «Южный» (рис. 2.5).
Наблюдения по профильным линиям, заложенным нормально к простиранию борта карьера по направлению, совпадающему с направлением возможного смещения горных пород, дают наиболее полную информацию о зоне распространения деформаций, позволяют установить тип развивающегося оползня и построить по векторам смещения наблюдаемых реперов потенциальную поверхность скольжения смещающегося массива.
Постоянные инструментальные наблюдения за состоянием восточного борта на Богословском буроуголыюм месторождении были начаты Уральским филиалом ВНИМИ в 1956 г., в том числе по специально заложенным в 1965г. наблюдательным линиям [91, ПО]. Впоследствии были заложены еще несколько наблюдательных линий, большая часть реперов которых к настоящему времени утрачена. В последние годы (начиная с 1993 г.) наблюдения за деформациями бортов на разрезе не проводились [88].
Прогноз изменения устойчивости восточного борта карьера при его затоплении
В условиях Богословского буроугольного месторождения устойчивость бортов карьера определяется строением массива, условиями залегания вмещающих пород и пластов угля, наличием естественных поверхностей ослабления и характеристиками сопротивления сдвигу по ним, физико-механическими свойствами пород, гидрогеологическими условиями (характером обводнения борта и уровнем его подтопления).
С целью определения коэффициентов запаса устойчивости восточного борта разреза Южный, в существующих горно-геологических условиях были проведены расчеты устойчивости его различных участков. В зависимости от схемы возможного деформирования рассматриваемого участка борта, расчеты производились по схеме алгебраического суммирования сил и методом многоугольника сил с учетом уровня затопления карьера (+ 120 м на 01.12.04) и условий последующего обводнения прибортового массива [94]. В последствии проводились аналогичные расчеты на основе австралийского программного комплекса «Galena» с помощью методов Спенсера и Сарма, позволяющих производить определение коэффициента запаса устойчивости для комбинированных поверхностей скольжения [100, 101].
Поскольку деформирование откосов на карьере чаще всего происходит согласно мульдообразному залеганию слоев горных пород, то для расчета устойчивости было принято решение использовать традиционные методики без их модификаций, предложенных для определения параметров устойчивых откосов в массиве с крутопадающей слоистостью [108, 115].
В строении терригенной толщи, наиболее потенциально опасной с точки зрения нарушения устойчивости при затоплении разреза, принимают участие породы, склонные к существенному изменению прочностных и деформационных параметров при изменении степени их водонасыщения. Однако точных данных об изменении влажности пород за период эксплуатации не имеется, тем более не выполнялись исследования на стадии ликвидации карьера. Учитывая рассмотренные закономерности характера техногенных нарушений пород в бортах карьеров, для выбора расчетных параметров прочностных свойств пород для расчетов устойчивости целесообразно принять минимальные характеристики сцепления и угла внутреннего трения, полученные ранее полевыми или лабораторными методами, а также обратными расчетами по происходящим оползневым деформациям.
Расчетные величины физико-механических свойств пород были приняты согласно таблицам 2.2 и 2.3, при проведении расчетов в прочностные характеристики был введен коэффициент запаса n = 1,3. В рассматриваемых условиях Богословского буроугольного месторождения, как правило, потенциальная поверхность скольжения в своей верхней части совпадает со слабым контактом слоев, а в нижней части -пересекает их. В точке излома возникает поверхность скольжения второго семейства, разделяющая оконтуренный массив на призму активного давления и призму упора. Подробно вопрос построения потенциальной поверхности скольжения и определения средних значений углов наклона ее отдельных элементов для рассматриваемых условий изложен в специальной литературе [53,107, 122,135, 136].
На рисунках 3.4-3.7 представлены расчетные схемы восточного борта по наблюдательным линиям 22, 30, 31, на которых приведены примеры расчета устойчивости восточного борта разреза. Расчеты устойчивости производились как для всего борта, так и для отдельных его участков, склонных к деформированию по геологическим условиям, по наблюдательным линиям 8, 22, 30 и 31.
По наблюдательной линии 8 расчеты производились по поверхности скольжения, в верхней части проходящей по кровле пласта 2 (среднего), и далее по отвальным породам. Расчет производился для трех уровней затопления карьера: +100м, +120 и +160м. Коэффициенты запаса устойчивости борта составили, соответственно n = 134,1,44 и 1,95.
По наблюдательной линии 22 расчеты производились для различных вариантов деформирования борта, в зависимости от положения возможной потенциальной поверхности скольжения.
Участок борта между горизонтами + 138 - + 183 м, в месте залегания двух угольных пластов, обозначенных на рисунке цифрами 1 и 2. Деформирование возможно по слою подугольных аргиллитов с низкими прочностными свойствами. Расчет проводился методом многоугольника сил при условии затопления карьера до отметок +120м, +175м, и + 160 м, т. е. для наиболее неблагоприятного момента затопления участка борта. Минимальный коэффициент запаса устойчивости участка борта при уровне +160м равен n = 1,27. При отметках уровня воды +120 и+175м, соответственно п = 1,35 и n = 1,41.
Расчет устойчивости борта по наблюдательной линии 22 с учетом затопления разреза до отметки + 120 м, при условии, когда потенциальная поверхность скольжения проходит по надугольным аргиллитам пласта 3, выходящего под наносы и далее, в нижней части по этому же пласту и отвальным породам. Коэффициент запаса устойчивости этого участка борта равен п = 2,1.
Расчет устойчивости борта по наблюдательной линии 22 при условии, когда потенциальная поверхность скольжения проходит между пластами угля 2 и 3, а в своей нижней части, как и в предыдущем варианте по надугольным аргиллитам пласта 3. Расчет произведен методом многоугольника сил, при уровнях затопления карьера +160м и +175м. Коэффициенты запаса устойчивости участка борта равны п = 1,7, n = 1,78.
Инженерно-геологический мониторинг рекультивируемых территорий
Термин «мониторинг» появился в нашей технической литературе в результате научной дискуссии на Стокгольмской конференции ООН в 1972 году по докладу Р. Манна о глобальном уровне повторяющихся наблюдений за изменением окружающей среды в пространстве и во времени [58].
К тому времени в инженерной геологии уже имелся определенный позитивный опыт стационарных наблюдений при изучении сложных геологических объектов, находящихся под воздействием природных и техногенных факторов. В качестве примеров подобных, т.н. наблюдательных станций можно назвать сейсмические, карстовые, оползневые, просадочные и другие станции, которые давали дополнительную информацию для уточнения прогнозных оценок и обоснования мероприятий по инженерной защите различных сооружений. В общем виде мониторинг инженерно-геологической направленности под названием литомониторинга был рассмотрен в 1985 году В.К. Епишиным и В.Т. Трофимовым в книге «Теоретические основы инженерной геологии» [32]. По их представлению он состоит из трех взаимосвязанных процедур: режимные наблюдения, перманентные прогнозы и управление. Для эффективного функционирования литомониторинга необходимо разработать его целевую программу, функциональную структуру, автоматизированную информационную службу.
В системе «Центргелогия» Мингео РСФСР проблемы инженерно-геологического мониторинга рассматривались в некоторых горнодобывающих районах Урала (в частности, в районе Нижнего Тагила) и уделялось большое внимание контрольным геофизическим наблюдениям [7]. В ряде докладов Г.Л. Фисенко [126], М.Е. Певзнера [102] и других специалистов на V Всесоюзной конференции по инженерной геологии в 1984 году инженерно-геологический мониторинг рекомендовался в качестве основного источника информации для прогнозов возможных осложнений при разработке месторождений твердых полезных ископаемых. A.M. Гальперин и В.И. Стрельцов внедряли литомониторинг на железорудных карьерах КМА и на угольных разрезах Кузбасса [17], В.А. Мироненко [76] ставил задачи будущего геоэкологического мониторинга России, в котором проблемы гидрогеологических исследований на месторождения полезных ископаемых занимают ведущее положение. Хотелось бы здесь отметить, что на гидротехнических объектах, как показал И.А. Парабучев [96] большие задачи, выполненные стационарными станциями должны найти свое место в инженерно-геологических и гидрогеологических мониторингах разных масштабных уровней.
И.П. Иваном была сделана попытка определить уровень масштабности инженерно-геологического мониторинга на территории осваиваемого месторождения исходя из главного критерия инженерных изысканий -прогнозирования изменения окружающей среды в условиях техногенного воздействия человека (техногенной среды). [46] В исследованиях, направленных на рекультивацию нарушенных земель мы полагаем, что локальность является их приоритетным направлением, выполняемым на ведомственном уровне, позволяющем получать информацию, необходимую для решения основных задач для каждого конкретного этапа рекультивации данного объекта, а именно: - выбор (обоснование) способа рекультивации нарушенных при разработке месторождения земель; - определение степени изменения окружающей среды в пределах горного и земельного отвода; - прогноз последствий взаимодействия рекультивационных работ с геологической средой в пространстве и во времени; - прогноз устойчивости горных выработок, зданий и сооружений; - обоснование мероприятий инженерной защиты территории в рекультивационный период; - подготовка нарушенных территорий к технической рекультивации; - прогноз результатов рекультивации (технической и биологической); -разработка рекомендаций по использованию восстановленных территорий (допустимые техногенные воздействия в пространстве и во времени). При разработке целевой программы для локального инженерно-геологического мониторинга рекультивируемых территорий нужно помнить, что на месторождении и прилегающей территории будут происходить различные процессы техногенного воздействия. Поэтому мониторинг должен быть организован на всех участках рекультивационных работ (горные выработки, внутренние и внешние отвалы, различные накопители отходов горного производства и т.д.).
В целевую программу должны входить [43]: 1) краткая характеристика фонового состояния месторождения по отдельным элементам его инженерно-геологических условий по материалам геологических исследований; 2) краткая характеристика горных работ и сооружений; 3) анализ и оценка выполненных геологических и инженерно-геологических работ, решений и прогнозов; 4) обоснование видов и объемов наблюдений на различных участках месторождения, исходя из результатов выполненных оценок и прогнозов; 5) обоснование методики выполнения намеченных наблюдений в зависимости от характера и масштабов происходящих процессов и их доступности; 6) разработка плана-графика функционирования мониторинга: начало и окончание работ, частота (регулярность) наблюдений, периодичность обработки и анализа полученных данных, выдачи рекомендаций и прогнозов по инженерной защите и др.
Разработка и уточнение функциональной структуры мониторинга в каждой конкретной ситуации будет зависеть от поставленной перед ним цели. Для условий обеспечения безопасности проведения рекультивационных работ на месторождениях, разрабатываемых открытым способом, при затоплении карьера должны быть организованы режимные наблюдения за деформациями бортов карьера, смещениями земной поверхности, гидродинамическим режимом подземных вод, а также контроль изменения состояния и физико-механических свойств горных пород и технологический мониторинг.
Выполнение перманентных оценок и прогнозов изменения инженерно-геологических условий при ликвидации открытых горных работ и рекультивации нарушенных территорий должно осуществляться, как уже указывалось выше, на основе гидрогеомеханических моделей.
Управление опасными геологическими процессами в процессе водохозяйственной рекультивации с целью снижения негативных последствий открытой разработки сопряжено с определенными трудностями, зависящими от темпа восстановительных работ и скоростей развития геологических процессов.
Блок управления связан с решением оптимизационных задач, разработкой рекомендаций (обоснований) о мероприятиях инженерной защиты и с их реализацией. В отношении блока контроля в период рекультивации, то он применим только к оползневым процессам на бортах карьера, а в отношении деформаций земной поверхности осуществить какие-либо мероприятия трудно. Единственным способом повлиять на него, а точнее на оба процесса сразу, является поддержание уровней воды в карьере и массиве горных пород на фиксированном уровне. Например, такое возможно при необходимости в большом количестве технической воды для рядом расположенных производств.
Автоматизированная информационная система (АИС) мониторинга в период рекультивации нарушенных территорий должна выполнять следующие главные функции: хранение и поиск информации наблюдений; целенаправленная обработка и оценка информации; выполнение новых и уточнение старых прогнозов; решение задач по оптимитизации функционирования природно-технической системы [43].
Для выполнения перечисленных функций АИС должна иметь соответствующие подсистемы - информационно-поисковую, обработки данных, прогнозно-диагностическую и управления [32].
