Введение к работе
Актуальность темы. Казахстан является горнодобывающей республикой, поставляющей широкий спектр полезных ископаемых в разные страны мира. Разработка месторождений невозможна без инженерно-геологического обоснования мероприятий, обеспечивающих оптимальные условия ведения открытых и подземных работ, а также решения вопросов рационального использования и охраны геологической среды на стадиях эксплуатации и консервации горно-обогатительных предприятий. Усиление работ в этом направлении подчеркивается главной и стратегически важной программой горнодобывающей промышленности Казахстана на ближайший 2008 год и дальнейшую перспективу 2015 года: «Разработка научно-технической стратегии развития горной науки в недропользовании и комплексном использовании минерального сырья Республики Казахстан».
За 70-летнюю историю Каратауского фосфоритового бассейна (КФБ) открыто 48 месторождений фосфоритов, разведано - 11, разрабатывается - 6. Карьерным способом разрабатываются месторождения Жанатас, Кокджон, Коксу, Туйесай; подземным - месторождения Чулактау, Аксай. КФБ - это системный комплекс «геосреда + техногенная деятельность человека => добыча фосфоритовых руд => фосфорный концентрат». Успешная реализация управленческих решений может быть достигнута за счет разумного использования природных ресурсов и принятия мер экологической безопасности от разведки и добычи до получения готовой продукции.
Цель работы. Разработка теоретико-методологических основ управления состоянием геологической среды КФБ на основе выполненных инженерно-геологических и геоэкологических исследований региона.
Задачи исследований:
выявление закономерностей формирования инженерно-геологических условий КФБ и его ключевых участков - Жанатасского, Аксай-Туйесайского, Чулактауского - под влиянием горнорудных факторов; разработка классификации эндогенных, экзогенных и ИГП, регионального и типологического инженерно-геологического районирования геосреды;
специальная инженерно-геологическая типизация геологической среды, как основы прогнозирования изменений геосреды; типизация техногенной нагрузки, воздействий и взаимодействий, типизация изменений геосреды под влиянием природных и техногенных факторов;
типизация геосистем; разработка моделей литотехнических систем, отражающих взаимодействия с горно-рудничными и инженерно-хозяйственными воздействиями;
выявление закономерностей загрязнения и типизация геологической среды по устойчивости к техногенному загрязнению, инженерно-геологических и геохимических особенностей эксплуатации хвостохранилищ;
разработка прогнозов изменений геологической среды КФБ на региональном уровне; Жанатасского, Аксай-Туйесайского и Чулактауского рудных районов на субрегиональном, участковом и локальном уровнях;
разработка профилактических и специальных мероприятий по охране геологической среды Каратауского фосфоритового бассейна.
Научная новизна. Работа является первым обобщением региональных инженерно-геологических и геоэкологических исследований в Малом Каратау. Впервые для КФБ теоретически разработано и методически обосновано построение инженерно-геологических и геоэкологических карт различного назначения и масштаба: карта новейших структур Малого Каратау М 1:200000, карта типизации геосреды КФБ М 1:200000, карта техногенной нагрузки на типы геосреды КФБ М 1:200000, карта природных литосистем и литотехнических систем КФБ М 1:200000, карта типизации геосреды КФБ по устойчивости к техногенному загрязнению М 1:200000; карта инженерно-геологических условий со схемами регионального и типологического районирования северо-западной части КФБ М 1:50000; карта природных литосистем и литотехнических систем Жанатасского рудного района М 1:25000; карта инженерно-геологических условий месторождения Жанатас М 1:10000, карта районирования по степени устойчивости бортов карьеров месторождения Жанатас М 1:10000, карта системы опробования глубоких горизонтов рудника Жанатас М 1:10000; карты горно-геологических условий карьерных полей месторождения Жанатас М 1:2000 и рудника Молодежного М 1:2000. Впервые разработаны регионально-генетическая классификация эндогенных, ЭГП, ИГЛ; типизация техногенной нагрузки, воздействий и взаимодействий; техногенезов, влияющих на характер изменения геосреды (рельефа, гидросферы, горных пород); типизация геосистем, моделей природных литосистем и литотехнических систем Жанатасского, Аксай-Туйесайского и Чулактауского рудных районов; типизация источников загрязнения и типизация геосреды по устойчивости к загрязнению. Выполнен прогноз изменений геосреды на основе впервые построенных базовых региональных, субрегиональных, участковых и локальных прогностических моделях с использованием методов диагностических классификаций и аналогий; разработаны локальные прогнозы загрязнения геосреды в зоне влияния Каратауского хвостохранилища. Составлены программы по оценке опасности загрязнения атмосферы, поверхностных и подземных вод, почво-грунтов, параметров трещиноватости, горного Давления. Разработаны мероприятия по управлению и охране геосреды.
Методика исследований. Основные научные идеи и теоретические положения направлены на совершенствование оценки современного состояния и прогнозирование изменений геосреды, на обоснование и разработку систем» управления геологической средой КФБ. Научные идеи основаны на работах ведущих специалистов стран СНГ: Г.К.Бондарика, А.А.Варга, Э.Г.Газиева, А.М.Гальнерина, В.МХольдберга, Г.А.Голодковской,
Д.Г.Зилинга, ИЛХИванова, В.А.Королева, Г.Л.Коффа, В.Д.Ломтадзе, В.А.Мироненко, В.И.Осипова, В.Е.Ольховатенко, К.Е.Питьевой, И.В.Попова, М.В.Раца, А.И.Савича, Ю.Е.Саета, Е.М.Сергеева, Б.В.Смирнова, В.Т.Трофимова, В.В.Фромма, СН.Чернышева, В.Г.Шипулиной, ЛАЛрг и др.
Полевые исследования включали: комплексную инженерно-геологическую, гидрогеологическую и геоэкологическую съемку хребта Малый Каратау М 1:50000; Жанатасского, Аксай-Туйесайского и Чулактауского ключевых участков М 1:25000; структурно-тектоническую съемку карьерных полей рудников Кокджон, Жанатас, Коксу, Чулактау, Аксай, Туйесай М 1:2000 и ежегодное обследование состояния бортов карьеров; инженерно-геологическую съемку и ежегодное обследование Кокджонского, Жанатасского, Каратауского и Новокаратауского хвостохранилищ М 1:2000. На карьерах и в шахтах погоризонтно изучены: трещиноватость скальных массивов (26800 трещин), зоны тектонического дробления и милонитизации, линейных и площадных кор выветривания, режим уровней воды; выполнена паспортизация ЭГП и ИГЛ. Изучены петрографические особенности, водно-физические, механические, прочностные и фильтрационные свойства скальных пород, грунтов, твердых хвостов; химические показатели грунтов, химические и спектральные характеристики рудничных, шахтных, промышленных, поверхностных и подземных вод и твердых хвостов. На карьере Аксай оценена эффективность креплений. Для каждой инженерно-геологической формации построены диаграммы и розы трещиноватости по литологическим и тектоническим трещинам, разломам, трещинам кливажа; по параметрам трещиноватости оценены пустотность и коэффициенты фильтрации. Построены розы устойчивости бортов карьеров и модели откосов. Выведены корреляционные уравнения между показателями свойств основных типов пород, оценен их режим пространственной изменчивости. Оценка загрязнения геосреды выполнена по ОФ и хвостохранилищам: откартированы участки дренирования промстоков; измерены расходы и изучена их миграция.
Разработаны теоретико-методологические основы прогнозирования изменений геосреды и мероприятий по ее управлению. Составлена серия инженерно-геологических и геоэкологических карт региона М 1:200000, ключевых участков М 1:50000 -1:25000 и месторождений М 1:10000 -1:2000.
Защищаемые положения:
-
Управление состоянием геосреды КФБ следует осуществлять на основе системного подхода к изучению инженерно-геологических и геоэкологических закономерностей, выявленных при районировании и типизации инженерно-геологических условий территории, оценке и прогнозе изменений геосреды; при разработке профилактических и специальных мероприятий по снижению негативных последствий горнорудной и инженерно-хозяйственной деятельности человека.
-
.Закономерности инженерно-геологических условий КФБ, его горнорудных районов, отдельных месторождений определяются особенностями
инженерно-геологического разреза и макроструктуры инженерно-геологических формаций и СГК (разрывной тектоникой, структурами напластования, макро-и микротрещиноватостью, наличием древних кор выветривания и палеокарста), режимом изменчивости физико-механических свойств, теснотой связи между показателями и гидрогеологическими характеристиками; закономерностями локализации эндогенных, ЭГП и Mi 11.
3. Специальная типизация геологической среды КФБ должна
основываться на геологических и климатических факторах-признаках,
региональной (по возрасту складчатости; структурно-тектоническим,
геоморфологическим и стратиграфо-генетическим признакам) и
типологической (регион, область, район) классификациях территориальных
элементов районирования, целевом назначении (прогнозе изменений
геосреды), стадии исследований, оценке типов геосреды по степени
сложности инженерно-геологических условий.
-
Типизацию изменений геосреды КФБ под влиянием природных и техногенных факторов необходимо осуществлять с учетом существующей и планируемой техногенной нагрузки, характера горно-рудничных и инженерно-хозяйственных воздействий в зонах непосредственного и опосредованного их влияния, и возникающих при этом взаимодействиях.
-
Типизацию геосистем следует выполнять на геологической основе, наличия техногенной нагрузки, последовательности осуществления взаимодействий (по степени метаморфизма природных условий) и изменения природных ИГУ: рельефа (техногенный морфогенез), режима поверхностной и подземной гидросфер; структуры, состава и состояния геологических тел (техногенный литогенез), ИГЛ и явлений; загрязнения геосреды.
6. Типизация геосреды КФБ по устойчивости к техногенному загрязнению
основывается на анализе природных (ареолов фтора, пятиокиси фосфора,
стронция; некондиционных подземных и озерных вод с высокой
минерализацией, агрессивностью, постоянной жесткостью, с содержанием
бора, йода и брома; сильно засоленных почво-грунтов и солончаков) и
техногенных источников загрязнения; ее устойчивость к техногенному
загрязнению определяется совершенством геохимических барьеров -
составом и мощностью слабопроницаемых покровных отложений; степенью
раскарстованности водовмещающих пород, расчлененностью рельефа.
-
Прогноз изменений инженерно-геологических и геоэкологических условий следует выполнять на уровне регионов, субрегионов, участков, с учетом наиболее опасных ИГЛ, формирующихся при открытой и подземной разработке месторождений; загрязнения атмосферы, почво-грунтов, поверхностных и подземных вод промсливами и твердыми отходами.
-
Рекомендации по управлению и охране геосреды предусматривают улучшение ее состояния, предупреждение развития опасных ИГЛ, борьбу с уже существующими процессами и выявленным загрязнением геосреды.
Практическая ценность работы состоит в использовании научных идей и теоретических положений при разработке методики оценки современного
состояния геосреды КФБ и его горнорудных районов: систематизации данных о нарушении и загрязнении геосреды; в оценке сложности ИГУ и устойчивости типов геосреды к нарушениям и загрязнениям, в оценке устойчивости бортов карьеров и подземных выработок, в оценке характера и степени загрязнения региона и зон влияния хвостохранилищ; инженерно-геологическом прогнозе изменений геосреды под воздействием горнорудничных и инженерно-хозяйственных техногенезов; разработке мероприятий по управлению и охране геосреды КФБ. Ценность работы состоит в предложенной методике картирования карьерных полей и опробования горных пород, в изучении макроструктуры массивов и деформаций бортов карьеров; в прогнозе горно-геологических ситуаций и рекомендациях мероприятий по укреплению бортов карьеров. Специальные и профилактические мероприятия по борьбе с загрязнением геосреды снизят существующее загрязнение и предотвратят возможное увеличение степени ее загрязнения. Разработанные методики, инженерно-геологические и геоэкологические карты могут быть использованы при создании оперативного геолого-экологического мониторинга на основе космических технологий зондирования Земли.
Методики инженерно-геологического и геоэкологического картирования, районирования и типизации изменений геосреды; общего регионального и субрегионального, участкового и локального прогнозов нарушения, и загрязнения геосреды могут быть использованы для других горнорудных регионов Казахстана и стран СНГ, в Хубсугульском фосфоритовом бассейне (Монголия) и на фосфоритовых месторождениях пустыни Негев (Израиль).
Реализация работы. Результаты исследований использованы геологической лабораторией и лабораторией охраны недр ГИГХСа, лабораторией открытой разработки недр ИГД КазССР для обоснования оптимальных углов бортов карьеров и берм фосфоритовых месторождений КФБ. Методика инженерно-геологического картирования карьерных полей использована экспедицией Госгорхимпроекта и Жанатасской ГРЭ. Выявленные изменения и загрязнения геосреды, разработанные прогнозы изменений гидрогеологических и инженерно-геологических условий использованы ПО «Каратау» и лабораторией охраны недр ГИГХСА для обоснования мероприятий по управлению и охране геосреды КФБ, в частности для Жанатасского и Чулактауского рудных районов; для разработки регионального мониторинга КФБ и мониторинга по изучению ЭГП и ИГЛ. Выполненные исследования явились основой при составлении автором рабочей программы курсов повышения квалификации и школы бизнеса Жайремского ГОКа, организованных при КазНТУ им. К.И.Сатпаева. Результаты исследований - инженерно-геологические и геоэкологические карты, классификации процессов, программы оценки загрязнения геосреды и атмосферы, трещиноватости и горного давления используются автором при выполнении аспирантских, магистрских и СНИР; в учебном процессе по дисциплинам «Общая инженерная геология», «Грунтоведение и механика
грунтов», «Инженерная геодинамика», «Региональная инженерная геология», «Региональная гидрогеология, инженерная геология и геоэкология», «Методика инженерно-геологических исследований для различных видов сооружений», «Геоэкология», «Мониторинг геологической среды», «Мониторинг подземных вод и опасных инженерно-геологических процессов», «Мониторинг геологической среды и инженерно-геологическое картирование», «Гидрогеология и инженерная геология месторождений полезных ископаемых», «Геология и разработка месторождений полезных ископаемых», «Гидрогеология и инженерная геология», «Экология».
Результаты настоящих исследований внедрены Комитетом геологии и недропользования Министерства энергетики и минеральных ресурсов РК при разработке инженерно-геологических и геоэкологических карт и вьшолнении НИР; лабораторией открытой разработки недр Национального центра по комплексной переработке минерального сырья РК при разработке проектов реконструкции бортов карьеров фосфоритовых месторождений КФБ; ТОО «Казфосфат» на горнорудных предприятиях КФБ; Национальной компанией «Казкосмос» при выполнений НИР, кафедрой гидрогеологии и инженерной геологии КазНТУ в учебном процессе и НИР. Ожидаемый экономический эффект 550000 долларов.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на МНК в МГУ (Москва, 2006, 1978), VII МК МГРИ «Новые идеи в науках о Земле» (Москва, 2005), НМК «XI Толстихинские чтения» (Санкт-Петербург, СПбТГИ, 2004), МНК СПбГУ «Школа экологической геологии и рационального недропользования» (Санкт-Петербург, 2001, 2002, 2004, 2005); МНПК «Горные науки Республики Казахстан - итоги и перспективы» (Алматы, ИГД, 2004), VI-VII НК «Сергеевские чтения» (Москва, РАН, 20004, 2005), I МК «Вопросы комплексной переработки минерального сырья Казахстана» (Алматы, Национальный центр комплексной переработки минерального сырья РК, 2003), П Международном симпозиуме «Геодинамика и геоэкологические проблемы высокогорных регионов (Бишкек-Москва, 2002), I Всесоюзном съезде инженеров-геологов, гидрогеологов и геокриологов (Киев, 1988), семинаре «Мониторинг геосреды в зонах деятельности угледобывающих предприятий» (Ростов-на-Дону, 1987), НТК «Методы оценки напряженного состояния массивов горных пород при разработке месторождений полезных ископаемых Урала» (Свердловск, 1987), V Всесоюзной НК по инженерной геологии (Свердловск, 1984), МНК и заседаниях кафедры ГГИГ КазНТУ (Алматы, 1980-2006); НТС ПО Каратау (Жанатас, 1981-87) и ГИГХСа (Москва, 1981,1985).
Публикации. Основные положения диссертации опираются на 75 научных публикаций; в соавторстве 8 научных отчетов, 12 карт, 1 учебник; единолично - 2 монографии, 11 карт, 1 учебник, 7 учебных пособий, 7 брошюр; а также 36 статей, 11 тезисов. Всего 126 трудов.
Структура и объем работы: введение, семь глав и заключение на 327 стр, содержит 34 рисунка, 96 таблиц, список литературы - 382 наименования.
