Изменение гидросферы под воздействием подземной добычи угля

ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

ИЗМЕНЕНИЕ ГИДРОСФЕРЫ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ПОДЗЕМНОЙ ДОБЫЧИ УГЛЯ

Е.В. Станис

Экологический факультет, Российский университет дружбы народов, Подольское шоссе, 8/5, 113093, Москва, Россия

Угольная шахта является сложным комплексом, состоящим из подземной и надземной частей. Ее работа оказывает штяние на экологические характеристики подземных и поверхностных вод. В результате происходят понижения уровня грунтовых и подземных вод, образуются депрес-сионные воронки, уменьшаются запасы подземных вод. На поверхности могут происходить как процессы подтопления территорий, так и уменьшения количества воды в реках, озерах, искусственных водоемах. Подземные и поверхностные воды подвергаются загрязнению.

Угольная шахта, с точки зрения воздействия на окружающую среду, является сложным комплексом, состоящим из надземной и подземной частей, каждая из которых вносят свой вклад в воздействие на подземную и надземную часть гидросферы.

Подземные воды являются важнейшим ресурсом литосферы, составляющие с поверхностными водами единую гидросферу Земли. В.И. Вернадский писал, что «живое вещество в течение всего 7—10 млн. лет пропускает через себя такое количество воды, которое равно по количеству и объему Мировому океану» [1].

Подземные воды. Особое значение с экологических позиций имеют пресные подземные воды. Подземные воды для питьевого водоснабжения составляют 14% от всех пресных вод планеты. Однако они значительно превосходят по качеству и защищенности от загрязнения поверхностные воды, содержат различные микро- и макроэлементы, необходимые для любых организмов, не требуют дорогостоящей очистки.

В пределах территорий с шахтной добычей угля региональный характер приобретает, как правило, явление истощения ресурсов подземных вод. В результате водозаборы, которые попадают в зону влияния дренажных работ, существенно снижают свою производительность либо выходят из строя; развиваются мощные зоны техногенной аэрации, что нарушает естественный влажностный режим почв и грунтов. Процессы загрязнения подземных вод являются неизбежным следствием отвода, сброса и накопления в поверхностных бассейнах шахтных и технических вод, а также прямым следствием изменения естественных гидрохимических границ при дренаже и водоотливе из горных выработок.

Одним из видов нарушения гидрогеологического режима является образование депрессионных воронок с изменением уровня подземных вод в пределах всех подразделений рельефа — днищ долин, склонов и водораздельных пространств, вследствие защиты шахт от водопритоков с помощью откачки. Наиболее крупные воронки-депрессии формируются в тех случаях, когда в обводнении горных выработок участвуют водоносные горизонты, имеющие региональное распространение. Длительная работа систем водопонижения

приводит к смыканию депрессионных воронок. Существенные изменения в режиме и химическом составе подземных вод создаются системами локального водопонижения. Снижение напоров основных водоносных горизонтов вызывает притягивание к дренажной системе рассольных вод с минерализацией до 80 г/л и более, что исключает использование этих подземных вод для питьевого, да и промышленного водоснабжения [2]. Весьма значительное влияние на гидрогеологические условия и ресурсы подземных вод оказывает разработка угольных месторождений в Кузнецком, Подмосковном, Печорском, Донецком и др. бассейнах.

В результате изменения гидрогеологических условий в шахтах изменяются и другие параметры геологической среды. При глубоком водопонижении происходит консолидация пород, что приводит к изменению их инженерно -геологических свойств, оседанию поверхности, причем в краевых частях мульды могут проявляться как вертикальные, так и горизонтальные смещения. В результате изменения напрйженно-деформированного состояния и проницаемости пород при развитии техногенной трещиноватости; формирования техногенных аккумуляторов воды, приуроченных к трещинам расслоения; разжижения пород в зоне опорного давления и др. возможны прорывы воды и породной массы при деформировании массива.

Изменение эффективных напряжений в скелете породы сопровождается изменением соответствующего давления воды в порах (нейтрального давления).

В результате изменения режима подземных вод в шахтах проявляются динамические процессы в виде горных ударов, вследствие увеличения эффективных напряжений в призабойной зоне, например при опережающем дренировании участка горных работ [3].

Яркий пример комплексного влияния шахтной добычи полезных ископаемых на подземную и наземную часть гидросферы и связанные с этим явления — Верхнесилезский каменноугольный бассейн в Польше, где разработки ведутся весьма интенсивно [4]. Средняя глубина разработок равна примерно 650 м, максимальная немногим более 1000 м. Притоки вод к шахтам колеблются от 1,0 до 47 м3/мин. До недавнего времени разработки велись преимущественно способом сплошной выемки. Работы на шахтах осуществляются в различных гидрогеохимических зонах. Поэтому рудничные воды отличаются по химическому составу и минерализации, которая колеблется от 0,5 до 372 г/л.

Дренаж пород при добыче подземным способом угля и некоторых других полезных ископаемых вызывает нарушение гидрогеологического режима Верхнесилезского угольного бассейна. Оно проявляется в резком уменьшении и снижении даже поверхностного стока, в изменении напоров и качественного состава подземных вод, направления и скорости их движения, в падении уровня русловых потоков, в пересыхании колодцев, в снижении продуктивности полей и лесов.

Горные работы сопровождаются оползнями, образованием трещин и снижением напряженного состояния. В результате этого нарушается целостность водоупорных пластов, что ведет к повышению гидравлической взаимосвязи вод различных водоносных горизонтов. Увеличение градиентов и скоростей подземных потоков вызывает явление суффозии, следствием которого является прерывистое нарушение земной поверхности.

В естественных условиях дренаж угленосных горизонтов происходил в речных долинах. В настоящее время, когда на обширных площадях Верхнесилезского бассейна ведется шахтная добыча угля, происходит инверсия пу-

тей миграции подземных вод, и зонами разгрузки сейчас являются выработки, расположенные на глубине 300—600 м.

Откачка подземных вод, производимая шахтами в объеме 1 млн. м3/сутки, вызвала снижение пьезометрического уровня подземных вод на площади более 2 тыс. км2.

Искусственные гидравлические взаимосвязи, образовавшиеся при проведении горных работ и глубокого дренажа, вызывают изменения и в естественном химическом составе подземных вод. Атмосферные осадки в таких условиях способны проникать на большую глубину, где смешиваются с рассолами. При этом химический состав подземных вод изменяется. Зона распространения вод в северной части бассейна, возраст которых не превышает 30 лет, достигла глубины 200-300 м.

Поверхностные воды. В результате деформации земной поверхности имеют место серьезные нарушения русел рек и их профилей наряду с образованием затопленных земель (например, в Верхней Силезии более 30 тыс. га).

Увеличение гидравлического уклона в районах проседания поверхности и котловин вызывает усиление эрозии поверхностным смывом и нарушение естественного гидрологического равновесия. Если же происходит уменьшение гидравлического уклона русловых потоков, то это приводит к их подпору, образованию затопленных территорий и к паводку на окружающей местности. Так, в районе Рыбникского угольного округа (Верхнесилезский каменноугольный бассейн) шахтная добыча угля из неглубоких горизонтов вызвала затопление долин многих небольших рек. Площадь затопленных земель составила 25 га, а глубина затопления достигает нескольких метров [4].

Помимо затопления земель в центрах мульд проседания образуются топи и болота, с чем связано заболачивание полей и лугов.

Водоотбор и связанное с ним понижение уровня подземных вод приводят к уменьшению подземного стока в реки и водоемы. При значительных водо-понижениях в пределах депрессионных зон во всех поверхностных источниках истощаются запасы воды, снижается водность рек, падает уровень озер и водохранилищ, высыхают болота, исчезают родники, ручьи и мелкие реки.

Сброс шахтных и технических вод в поверхностные водоемы зачастую наоборот приводит к значительному увеличению водности ручьев и речек. В результате увеличение расходов воды в некоторых реках приводит к повышению на отдельных участках уровней фунтовых вод, подтоплению и затоплению земель.

Сброс шахтных вод приводит к сильному загрязнению поверхностных (и частично подземных) вод. Исследования в восьмидесятых годах в Донбассе показали, что с водами из шахт (55 млн. м3) в реки поступало более 200 тыс. т растворенных солей, из них сульфатов около 22 тыс. т, сильных кислот (в пересчете на НгЗО^ — 5 тыс. т ежегодно.

При смешении шахтных и речных вод pH падает с 7,9 до 3,6, минерализация возрастает в 2 раза, а содержание сульфатов — в 3 раза, кроме того, резко возрастает содержание взвешенных частиц и уменьшается прозрачность.

Источником загрязнения поверхностных и подземных вод являются также породные отвалы. Изучение химизма почвенных, грунтовых и поверхностных вод на территории угольных предприятий Подмосковного бассейна [5] показало, что повышение минерализации природных вод происходит как за счет водной эрозии по периферии отвалрв, так и вследствие просачивания кислых сульфатных вод через нижние горизонты отвалов.

Исследования воздействия на окружающую среду терриконов угольных шахт Донбасса установили, что из них дождевыми водами интенсивно выно-

сятся селен, кобальт, медь и другие тяжелые металлы [6]. Вынос селена таков, что 1 г шлака достаточно, чтобы его концентрация в 1 л воды превысила допустимую.

С шахтными водами в Верхнесилезском угольном бассейне в реки сбрасывается более 11800 т/сут солей, из них только хлоридов и сульфатов — более 5900 т/сут. Здесь имеет место сток загрязненных вод в притоки Вислы и Одера. Многие реки стали фактически коллекторами шахтных вод [4].

Криолитозона. Криолитозона занимает значительную (более 60%) часть территории России, развита она и в других странах и является частью литосферы. В области развития многолетнемерзлых пород воздействие человека на земную кору при добыче полезных ископаемых приводит к очень серьезному нарушению гидрогеологических и гидрологических процессов. В пределах криолито-зоны расположен крупный Воркутинский каменноугольный бассейн.

Сброс больших объемов воды, производимый при добыче угля из-под мерзлотных горизонтов, при низких температурах приводит к образованию наледей большой мощности, которые разрушают дороги и выводят из строя наземные сооружения. Кроме того, они способствуют развитию таликов, становящихся каналами питания подземных вод, что способствует образованию термокарстовых озер.

Сброс шахтных вод в теплый период вызывает загрязнение рек. Мощные наледи становятся плотинами в долинах рек, вызывая затопление, заболачивание и озерообразование.

Прогибы и провалы, образующиеся при подземной разработке утя, способствуют образованию озер и заболачиванию территории, образованию таликов, поступлению поверхностных юд в подземные водоносные горизонты с последующим их загрязнением. В условиях, когда проходка ведется в мерзлых горизонтах, происходит вспучивание подземных выработок при заполнении их водой.

Вблизи шахт наблюдается повышенное количество пыли, поскольку мерзлые угли более хрупки, что вызывает повышенное пылеобразование при их отбойке. Вентиляционные системы шахт выносят на поверхность большое количество угольной пыли, еще больше пыли разносится при погрузке мерзлых углей в транспорт на поверхности. В результате территория вокруг шахты засоряется угольной пылью в радиусе 15—20 км. Здесь таяние снежного покрова происходит раньше обычного, а глубина протаивания грунтов увеличивается в 2,5—3 раза. Все это приводит к образованию озер и болот, причем вода в них содержит в период снеготаяния до 30-60 г/л взвешенного вещества и абсолютно непригодна для водоснабжения [7].

Таким образом, необходимо отметить, что добыча угля подземным способом влияет на все компоненты гидросферы. Причем это влияние настолько комплексное, что не всегда возможно полностью проследить причинно-следственные связи. Нельзя вычленить одну единственную причину какого-либо изменения в гидросфере. И для того, чтобы снизить негативное влияние техногенеза на гидросферу даже в рамках одной угледобывающей отрасли, необходимы скоординированные усилия специалистов многих отраслей науки и техники.

ЛИТЕРАТУРА

1. Вернадский В.И. Философские мысли натуралиста. - М.: Наука, 1988. 519 с.

2. Экологические функции литосферы /под ред. В.Т.Трофимова.-М.: МГУ, 2000,-430 с.

3. Мироненко В.А., Стрельский Ф.П. Гидромеханические исследования в горном деле / Экологические проблемы горного производства. - М.: МГГУ, 1993. - С. 45-52.

4. Рожковский А. Влияние добычи полезных ископаемых на водную среду в Верхнесилезском угольном бассейне (ПНР). / Влияние добычи полезных ископаемых на окружающую среду, ч.1. М.: 1989. - С. 98 - 111.

5. Савич А.И. Чеюшна В.Н. Особенности состава и свойств вскрышных пород Подмосковного угольного бассейна и их пригодность к биологической рекультивации // Научные основы охраны природы. М. 1973. - Вып. 2. - 392 с.

6. Грибанова Л.П. Оценка устойчивости геологической среды к влиянию полигонов ТБО // Разведка и охрана недр. 1990. № 3. С. 29 - 33.

7. Горшков С.П. Концептуальные основы геоэкологии. - Смоленск: Изд-во Смоленского гуманитарного университета. 1998. - 448 с.

HYDROSPHERE CHANGING UNDER EFFECT UNDERGROUND OUTPUT COIL

E.V. Stanis

Ecological faculty, Peoples Friendship Russian University,

Podolskoe shosse. 8/5, 113093, Moscow, Russia

The colliery is the complex consisting of underground and over ground parts. Its work influences ecological characteristics of underground and superficial waters. The result is following: downturn of a level of soil and underground waters, are formed depressions, stocks of underground waters decrease. On a surface can occur both processes of flooding of territories, and reduction of amount of water in the rivers, lakes, artificial reservoirs. Underground and superficial waters are exposed to pollution.