Инженерная защита гидросферы при отработке и ликвидации рудников

© Л.С. Рыбникова, Д.Л. Фельдман, П.Д. Рыбников, 2012

УЛК 622.012.2:556.3:51

Л.С. Рыбникова, А.Л. Фельдман, П.А. Рыбников

ИНЖЕНЕРНАЯ ЗАЩИТА ГИДРОСФЕРЫ ПРИ ОТРАБОТКЕ И ЛИКВИДАЦИИ РУДНИКОВ

Инженерная зашита гидросферы при отработке и ликвидации рудников. Для района гидродинамического влияния отработки Левихинского месторождения разработана концептуальная и математическая гидрогеологическая модель. В условиях дефицита информации параметрическое насыщение модели осушествлялось в ходе решения ряда обратных задач для характерных периодов изменения гидродинамической обстановки.

Ключевые слова: подземные воды, математическая модель, водоотлив, ликвидация рудника, загрязнение.

На территории Свердловской области при осушении месторождений полезных ископаемых извлекается 260 млн м3/год подземных вод, зачастую сильно загрязненных, при этом добыча подземных вод для хозяйственно-питьевых нужд почти в 2 раза меньше [2].

Хозяйственное освоение территорий, прилегающих к горнодобывающим предприятиям, происходило в условиях работы дренажных систем при значительном и продолжительном понижении уровня подземных вод.

Изменение экономической конъюнктуры и истощение запасов обусловило массовое закрытие горнодобывающих предприятий и привело к затоплению горных выработок (так называемая «мокрая консервация»).

Это принципиально изменяет складывавшуюся до этого десятилетиями гидродинамическую и гидрохимическую обстановку в густонаселенных районах. Прекращение водоотлива, затопление карьеров и шахт приводит к развитию целого ряда негативных процессов, таких как:

• подтопление ранее освоенных прилегающих территорий;

• загрязнение подземных и поверхностных вод;

• формирование очагов сосредоточенной разгрузки кислых вод;

• образование техногенных водоемов, содержащих токсичные воды;

• латентное загрязнение поверхностных вод;

• деформация земной поверхности над горными выработками.

Наиболее опасными на Урале с экологической точки зрения являются медно-колчеданные месторождения — как отрабатываемые, так и законсервированные. Это связано с вещественным составом руд, способами отработки, складированием некондиционных руд и пустых пород [3].

При решении инженерных задач на отрабатываемых и ликвидируемых рудниках в сложных гидрогеологических условиях целесообразно создание численной математической модели района гидродинамического влияния рудника для учета различных техногенных объектов. Для района Ёе-вихинского медноколчеданного месторождения была создана постоянно-действующая гидрогеомиграцион-ная модель, на базе которой в тече-

ние ряда лет были решены следующие практические задачи [5, 7, 8]:

• обоснование размещения шламо-накопителя обогатительной фабрики в отработанном карьере;

• оценка воздействия затопления Левихинского рудника на подземную и поверхностную гидросферу;

• прогноз осушения затопленного рудника;

• обоснование программы мониторинга состояния окружающей среды.

Левихинская рудоносная зона (Кировоградская рудный район, Средний Урал, бассейн реки Тагил) расположена в 70 км на север от г. Екатеринбурга. Почти все месторождения этой зоны отработаны, водоотлив прекращен, на некоторых участках фиксируется выход кислых подземных вод на поверхность.

Левихинский рудник существует достаточно долго — с 20-х годов 20 века. Рудник отрабатывал группу компактно расположенных медно-колчеданных месторождений. Леви-хинское рудное поле протяженностью 6 км приурочено к западному крылу Тагильской синклинали и сложено вулканитами и метасоматитами киров-градской свиты, которые с запада ограничиваются плагиогранитами Тагильского интрузивного массива, а с востока перекрываются более молодыми отложениями шуралинской свиты. Рудоносная формация достигает видимой мощности около 2 км. Широкое развитие грубообломочных туфов, вулканических брекчий и субвулканических образований свидетельствует о первоначальном расположении рудного поля в пределах прижерловой части вулканической структуры, в дальнейшем деформированной и наклоненной на восток. Геохимический тип Леви-хинских месторождений медно-цинковый, по содержанию попутных компонентов руды являются ком-302

плексными, содержащими селен, теллур, индий, золото, серебро, кадмий, мышьяк и другие элементы [1].

При отработке месторождения воздействие на окружающую среду в первую очередь было связано со складированием отвалов, содержащих сульфиды и тяжелые металлы, созданием водоемов-отстойников для шахтных и под отвальных вод. Гидродинамическую обстановку определяли техногенные объекты: отработанные карьеры, действующие и закрытые шахты, пруд-отстойник. Водоотлив составлял в среднем около 280 м3/час.

В 2003 году добыча была прекращена. Основные задачи на конец отработки были следующие:

• предотвращение возможного подтопления прилегающих территорий;

• перехват кислых шахтных вод;

• предотвращение миграции загрязненных подземных вод от затопленного Левихинского рудника к р.Тагил.

Отработка шахтами с подэтаж-ным обрушением, образование зон обрушения и сдвижения привело к существенным изменениям фильтрационных характеристик и условий питания некоторых участков водоносного горизонта. Для количественной оценки этих показателей необходимо воспроизведение на математической модели всей гидродинамической истории отработки и последующей ликвидации месторождения. Учитывая достаточно быструю стабилизацию гидродинамических возмущений (для трещиноватых пород в ограниченных гидрогеологических структурах не более пяти лет), можно выделить опорные стационарные периоды и выполнять решение обратных задач для этих периодов в стационарной постановке [4, 9].

Рис. 1. Гидрогеологическая модель района Левихинского медноколчеданного рудника

Таблица 1

Прогнозные и фактические содержания основных компонентов-загрязнителей

Контрольная точка

р.Тагил выше сброса

пруд-отстойник

(0 = 10000 м3/сут без дренажа; Q = 12000 м3/сут с дренажом) р.Тагил ниже сброса

Компоненты (мг/л) Вариант

Си гп Б04

0,06 0,11 60

50 150 1100 без дрена-

('5*104) (1,5*104) (11) жа

0,7 2 350 с дрена-

(700) (200) (3,5) жом

6 15 1400

0,76 2,52 115 без дрена-

(760) (252) (1,15) жа

0,3 1,2 109 с дрена-

(300) (120) (1,09) жом

0,11 0,45 60 до затоп-

(110) (45) (0,6) ления руд-

ника

Примечание. В скобках кратность превышения ПДК для рыбохозяйственных водоемов.

В результате решения ряда обратных задач были определены фильтрационные параметры, а также водно-балансовые составляющие в области гидродинамического влияния

рудника в различные моменты его освоения, установлены закономерности формирования гидродинамической обстановки в районе месторождения:

• больше трети притока воды к горным выработкам до строительства пруда-отстойника формировалось за счет инфильтрационного питания на площади зон обрушения и сдвижения (50 м3/час из 130 м3/час);

• после строительства пруда отстойника и продолжающейся отработки нижних горизонтов месторождения водопритоки в шахту увеличились почти в два раза (до 250 — 290 м3/час) по следующим причинам: а) увеличение площади зон обрушения и сдвижения; б) вскрытие высокопроницаемых тектонических нарушений на всю мощность зоны повышенной проводимости; в) увеличение глубины техногенной трещиноватости; г) переток из пруда отстойника.

В целом, решение серии обратных задач позволило уточнить фильтрационные параметры исследуемой области и проверить физическую непротиворечивость модели (рис. 1).

Решение прогнозных фильтрационных задач, имитирующих затопление Ёевихинского рудника, дало возможность определить зоны выхода шахтных вод на поверхность, скорость заполнения подземных выработок, области подтопления. Было установлено, что подземные выработки будут полностью затоплены за 3 года, наибольший расход шахтных вод ожидается в районе бывшей шахты Ёевиха-11 — порядка 100 м3/час, где в случае отсутствия дренажных мероприятий вероятно образование техногенного водоема, заполненного кислыми водами.

В случае бесконтрольного затопления рудника фронт загрязнения от затопленного Ёевихинского рудника достигнет р.Тагил за 5 лет и будет характеризоваться следующими средними концентрациями на участке разгрузки загрязненных подземных вод по основным компонентам-загрязнителям: медь — 50 мг/л, цинк — 150 мг/л. Наиболее эффективным водоохранным мероприятием в такой ситуации 304

является использование горизонтального дренажа, перехватывающего загрязненные подземные воды к востоку от рудника и отводящего их в существующий пруд-отстойник. В случае реализации этих мероприятий содержания меди и цинка на участке разгрузки подземных вод в р.Тагил составят, соответственно, 0,7 и 2 мг/л (табл. 1).

Следует отметить, что и фоновые содержания металлов в р.Тагил (до впадения р. Ёевихи) значительно превышают рыбохозяйственные нормативы, например концентрации меди превышены в 62 раза, цинка в 11 раз (табл. 1).

Учитывая значительные превышения рыбохозяйственного ПДК по металлам в воде, сбрасываемой из пруда-отстойника, комплекс водоохранных мероприятий должен включать в себя не только сбор шахтных вод, но и модернизацию существующей системы очистки. В противном случае положительный природоохранный эффект от сбора шахтных вод будет в значительной степени снижен из-за неэффективных очистных сооружений.

Приведенный прогноз полностью подтвердился при затоплении рудника в 2003—2006 гг. Строительство станции перекачки в районе бывшей шахты Ёевиха II, где произошло формирование техногенного водоема, обеспечило возможность своевременного перехвата и последующей очистки кислых вод на станции нейтрализаци, предотвратило поступление значительных объемов загрязненных вод в р.Тагил и фактически предотвратило экологическую катастрофу в этом районе. В настоящее время ситуация стабильная, за счет средств областного бюджета предприятие «Экология» осуществляет сбор и обезвреживание загрязненных подземных вод.

В 2007 году в связи с ростом цен на медь было принято решение о возобновлении эксплуатации Ёевихин-

ского подземного рудника после его осушения. С использованием постоянно-действующей математической модели были решены следующие задачи: оценка экологических, водохозяйственных и гидрогеологических последствий восстановления рудника; оценка эффективности проектных решений по осушению рудника; обоснование мероприятий по защите горных выработок от поверхностных и подземных вод; разработка системы мониторинга геологической среды.

Решение прогнозных задач, воспроизводящих процесс осушения рудника, позволило сделать следующие выводы:

• разгрузка шахтных вод прекратится через 1,5-2 месяца после начала осушения;

• осушение до горизонта 285 займет порядка 2 лет: при снижении уровня подземных вод до глубины 100 м (зона интенсивной трещиноватости) водоприток будет формироваться как за счет сработки статических запасов, так и за счет постепенного увеличения естественного водопритока;

• при снижении уровня более чем на 100 м произойдет стабилизация естественного водопритока в диапазоне 250-300 м3/час, далее при снижении уровня эта величина останется постоянной — то есть гидродинамическая ситуация может рассматриваться как стационарная;

• при дальнейшем осушении дебит будет обеспечиваться двумя балансовыми составляющими — естественными ресурсами (250 м3/час) и сработ-кой емкостных запасов (300 м3/час);

• общее время осушения от текущего положения уровня до горизонта 618 составит порядка 40 месяцев, причем для осушения до горизонта 285 потребуется 24 месяца при проектных показателях 18 месяцев.

Основной результат анализа эффективности проектных решений по осу-

шению рудника заключается в доказательстве того, что проектный календарный план по вводу в эксплуатацию горизонта 285 при заложенной в проекте производительности дренажной системы выполнен не будет. При составлении проектного графика осушения не учитывается, что при водоотливе достаточно быстро (3—4 месяца) сформируется депрессионная воронка и общий дебит водоотлива будет состоять не только из сработки статических запасов, но и из естественного водо-притока. Проект был откорректирован, однако экономический кризис заморозил его реализацию.

Вывоаы

Для района гидродинамического влияния отработки Ёевихинского месторождения разработана концептуальная и математическая гидрогеологическая модель (рис. 1). В условиях дефицита информации параметрическое насыщение модели осуществлялось в ходе решения ряда обратных задач для характерных периодов с максимальным приближением к адекватному описанию процесса и раскрытием основных закономерностей формирования и изменения гидродинамической обстановки:

• до создания пруда-отстойника дренажный водоотлив формировался за счет естественных ресурсов (60 %) и питания в пределах зон обрушения (40 %);

• рост в 2 раза шахтного водоотлива, с начала с 60-х годов, вызван привлечением из пруда-отстойника и увеличением площади зон обрушения: в формировании водоотлива 25 % составляет питание в пределах зон обрушения, 20 % — привлечение из пруда-отстойника;

• величина питания в пределах зон обрушения соответствует практически полному поглощению осадков на этой площади (модуль питания 12 л/с*км2 при величине регионального модуля 0,5 — 2,0 л/с*км2);

• коэффициенты фильтрации нарушенного массива составляют 3 — 5 м/сут и на один — два порядка больше, чем коэффициенты фильтрации ненарушенного массива;

• параметры пористости нарушенного массива, определенные по результатам решения обратной нестационарной задачи при затоплении рудника, составляют 0,01 — 0,03 д.ед., что на 2 порядка превышает емкость основного массива.

Неучет емкости в зонах обрушения и в затопленных карьерах при обосновании проектных решений по осу-

1. Гидрогеология СССР. Том Х1У. Урал. Уральское территориальное геологическое управление. Редактор В.Ф.Прейс. М.: Недра, 1972. 648 с.

2. Государственный доклад о состоянии окружающей природной среды и влиянии факторов среды обитания на здоровье населения Свердловской области в 2008 году. Екатеринбург, 2009.

3. Зотеев В.Г. Состояние окружающей среды техногенных провинций Уральского региона и пути их реабилитации// Инженерно-геологические проблемы урбанизированных территорий. Материалы международного симпозиума в 2 томах. Екатеринбург: Изд-во «Аква-пресс», 2001 г. Т. 2. С. 490-496.

4. Мироненко В.А. Румынин В.Г. Проблемы гидрогеоэколгии. Монография в 3-х томах. М.: Издательство МГГУ, 1999.

5. Рыбникова Л.С., Фельдман А.Л., Рыбников П.А. Геоэкологические и экономические аспекты защиты гидросферы в районах ликвидируемых рудников Урала// Дальний Восток-2: Сборник статей. Отдельный выпуск Горного информационно-аналитического бюллетеня (научно-

шению рудника приводит к ошибке при оценке продолжительности осушения верхних горизонтов в 1,5 раза.

Использование созданной математической модели в качестве постоянно-действующей позволяет своевременно оценивать экологические и гидрогеологические последствия развития ситуации и обосновывать мероприятия по обеспечению безопасности отработки, снижению риска загрязнения подземных и поверхностных вод, выбору мер инженерной защиты при отработке и ликвидации рудников.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

технического журнала)-2009.-№0В5. С. 316-329.

6. Шестаков В.М. Принципы геофизи-ко-экологического мониторинга // Геоэкология. 1999, №4. С. 362-365.

7. Фельдман А.Л., Рыбникова Л.С., Рыбников П.А. Оптимизация защиты подземных и поверхностных вод в районах ликвидируемых горнодобывающих предприятий Урала: геоэкологические и экономические аспекты.//Тезисы докл. шестого международного конгресса «Вода: экология и технология»/ «Экватэк-2004» (Москва 1-4 июня 2004). — М.: «Фирма СИБИКО Интренэшнл», 2004. С. 221222.

8. Фельдман А.Л. Рыбникова Л.С., Рыбников П.А. Мониторинг подземных и поверхностных вод в горнодобывающих районах (на примере Урала)//Будущее гидрогеологии: современные тенденции и перспективы. СПб.: СПбГУ, ввМ, 2008. С.298-307.

9. Rosen L., LeGrand H. E. An outline of a guidance framework for assessing hy-drogeological risks at early stages //Ground Water, 1997, № 2, p.p. 195-204. 1Ш

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Рыбникова Людмила Сергеевна — кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник, rls@k66.ru, Институт горного дела УрО РАН,

Фельдман Андрей Львович — кандидат геолого-минералогических наук, доцент, директор, feldand@k66.ru, НПиПП «ПАНЭКС»,

Рыбников Петр Андреевич — кандидат геолого-минералогических наук, главный инженер, rpa77@k66.ru, НПиПП «ПАНЭКС».