Инженерно-геологические проблемы освоения угольных месторождений Забайкальского края

Науки о Земле

УДК 552.57

Верхотуров Алексей Геннадьевич Aleksey Verkhoturov

Размахнина Ирина Борисовна Irina Razmakhnina

инженерно-геологические проблемы освоения угольных месторождений забайкальского края

engineering geological problems of transbaikalie coal deposits' development

Приводится характеристика угольной базы Забайкалья, где выявлено и учтено 48 месторождений и 18 проявлений угля с объемом добычи в 2014 г. порядка 21,2 млн т.

Рассматриваются условия формирования угольных месторождений и криолитозоны Забайкалья.

Установлено, что многолетнемерзлые породы на севере Забайкалья имеют сплошное распространение, в центральной части — прерывистое и островное, в южной — редкоостровное. Криолитозона на рассматриваемой территории может иметь зональное или азональное (в межгорных впадинах) строение. Представлена геокриологическая характеристика основных угольных месторождений: Харанорского, Татауровского, Уртуйского, Апсатского.

Рассматриваются инженерно-геологические условия и проблемы освоения угольных месторождений Забайкалья, которые зависят от состава и состояния вскрышных пород и угольных пластов, тектоники и неотектоники, подземных вод, много-летнемерзлых пород, опасных экзогенных процессов. Установлено, что при разработке угольных месторождений Центрального и Южного Забайкалья происходит деградация многолетнемерзлых пород, сопровождающаяся снижением устойчивости и несущей способности горных пород в бортах разрезов, формированием оползней, высокими водопритока-

The characteristic of coal base of Transbaikalie is presented, where 48 fields and 18 manifestations of coal with the volume of coal production about 21.2 million tons in 2014 are identified and accounted for.

The conditions of coal deposits formation and Transbaikalie permafrost zone are considered.

It is established that the permafrost in the north of Transbaikalie has the continuous distribution, in the central part - intermittent and insular, in the south -rarely insular.

The permafrost in the considered territory can have zonal or azonal (as intermountain hollows) structure. The permafrost characteristics of main coal fields: Kharanor, Tataurovsky, Urtuyskiy, Apsatskiy are presented.

Geotechnical conditions and problems of coal deposits development of Transbaikalie are considered, which depend on the composition and condition of the overburden and coal seams, tectonics and neotecton-ics, groundwater, permafrost, dangerous exogenous processes. It was found that during the development of coal fields of Central and South Transbaikalie the degradation of permafrost is occurred, accompanied by a decrease of stability and bearing capacity of the rock in the pit side, the formation of landslides, high inflows of water. The characteristic influence of the cost of mining dewatering and drainage of groundwater on coal

ми. Представлена характеристика затрат угольных предприятий Забайкалья на карьерный водоотлив и дренаж подземных вод.

Для повышения эффективности добычи угля за счет сохранения его качественных характеристик требуется прогноз возможных изменений инженерно-геологических условий при разработке, что обеспечит и безопасность освоения месторождений

Ключевые слова: инженерно-геологические условия, угольные месторождения, обводнённость горных пород, многолетнемерзлые породы, трещиноватость, водоупор, устойчивость бортов карьеров, прогноз

of Transbaikalie enterprises is presented. To increase the efficiency of coal production by the maintaining of its qualitative characteristics, a forecast of possible changes in geological conditions in the development is required, which will ensure the safety of deposits development

Key words: geotechnical conditions, coalfields, water content of rocks, permafrost, fracturing, aquitard, stability of pit walls, prediction

Забайкалье занимает одно из ведущих мест по распределению угольных ресурсов России. В административных границах Забайкальского края выявлено и учтено 48 месторождений и 18 проявлений угля. Несмотря на то, что угли Забайкалья составляют всего 1,2 % общероссийских запасов, по добыче край занимает 4 место среди угледобывающих регионов России. Угольные разрезы «Харанорский», «Восточный», «Уртуйский», «Апсатский» и ряд небольших предприятий, обеспечивающих местные потребности в угольном топливе, являются основой угледобывающей отрасли региона. Общий объем добычи угля в регионе в 2014 г. составил 21,2 млн т [2].

Развитие угледобывающей отрасли в ближайшей перспективе будет характеризоваться ростом добычи и потребления сырья, увеличением глубины разработки месторождений, повышением доли открытого способа добычи, освоением месторождений со сложными инженерно-геологическими условиями, что, в свою очередь, повлечет за собой развитие неблагоприятных процессов и явлений в горных выработках, и в конечном итоге скажется на ухудшении технико-экономических показателей. Существенное значение в обеспечении

безопасности освоения месторождений принадлежит инженерно-геологическим исследованиям, направленным на повышение эффективности использования геологического пространства и ведения горных работ. В связи с этим оценка инженерно-геологических условий и установление закономерностей возникновения опасных инженерно-геологических процессов и явлений при открытой разработке угольных месторождений Забайкалья является актуальной задачей, т.к. позволит с высокой степенью надежности прогнозировать возникновение, развитие и масштабы таких процессов.

Методика исследований включала:

— анализ инженерно-геологической информации, полученной авторами, сотрудниками геологических организаций и угольных компаний Забайкалья при разведке и разработке месторождений;

— непосредственные наблюдения на угольных разрезах за инженерно-геологическими процессами и водопритоками;

— мониторинг опасных экзогенных процессов в многолетнем цикле;

— изучение изменения физико-механических свойств пород угольных месторождений.

Геологические условия формирования угольных месторождений Забайкалья

Забайкалье является крупным фраг- чатую область, сложенную метаморфи-ментом Урало-Монгольского складчатого ческими, магматическими и осадочными пояса и представляет собой глыбово-склад- разновозрастными образованиями, при

этом осадочные отложения представлены в меньшей степени. Область разбита глубинными разломами на многочисленные блоки различной формы и размеров. После завершения герцинской фазы складчатости и тектогенеза регион превратился в жесткую консолидированную глыбу.

Дальнейшее тектоническое развитие происходило под действием периодически проявляющихся процессов автономной тектонической активации (орогенеза, рифтогенеза), нередко сопровождающихся активной магматической деятельностью. Ведущими структурно-образующими факторами этого этапа являлись разнонаправленные вертикальные перемещения отдельных блоков фундамента вдоль оживших древних и новообразованных глубинных разломов, приведших к созданию системы линейно вытянутых горстов и разделяющих их грабенов (рифтов). В этих структурах накапливались эффузивные и эффузив-но-осадочные образования, а также пресноводные осадочные отложения, являющиеся продуктом физико-механического разрушения горстов, и растительное вещество.

С названным типом тектонического развития земной коры, проявившемся в позднем мезозое на преобладающей территории Забайкалья, а в кайнозое — на его западной окраине, связано накопление всех угленосных формаций, получивших название орогенных или рифтогенных. По принадлежности площади осадко- и торфона-копления в той или иной геотектонической структуре орогенные угленосные формации региона объединяются в классы: на щитах (Апсатское и месторождения Северного Забайкалья); на массивах (Харанорское), Приаргунские верхнемезозойские и все кайнозойские месторождения; в складчатых областях (все остальные месторождения) [5].

Согласно современному районированию угленосности России, забайкальские угольные месторождения полностью занимают одноименную угленосную провинцию, а также западные части Южно-Якутской и Аргуно-Бурейской мезозойских и западную часть Прибайкальской кайнозойской угленосных провинций [5]. Структурно-тектоническая схема размещения месторождений и проявлений угля в Забайкалье показана на рис. 1.

Инженерно-геологические проблемы освоения угольных месторождений

Угольные месторождения Забайкалья характеризуются небольшими по площади размерами, относительно малой мощностью углевмещающих отложений (сотни, редко тысячи метров), разнообразным количеством угольных пластов, среди которых преобладают пласты средней мощности. По геолого-структурным особенностям, условиям залегания угольных пластов разработку основной части месторождений целесообразно вести открытым способом. Почти все угольные месторождения, предназначенные для открытой добычи, представлены в форме брахисинклиналей, которые отличаются специфичностью геологического строения, изменчивостью горно-геологических

условий на различных участках и по глубине залегания пластов.

Открытая разработка угольных месторождений Забайкалья отличается рядом особенностей, связанных в первую очередь со сложными гидрогеологическими условиями, наличием сезонной и многолетней мерзлоты, а также активной гидродинамической связью горных выработок с поверхностными водами, высокой трещинова-тостью горных пород и отсутствием региональных водоупоров. В результате этого при ведении горных работ возникает ряд проблем, связанных со снижением устойчивости и несущей способности горных пород и высокими водопритоками в горные выработки [1, 9].

Рис. 1. Структурно-тектоническая схема размещения угольных месторождений и

проявлений Забайкалья [5] Условные обозначения: 1 - кайнозойские угленосные отложения; 2 - мезозойские угленосные отложения; 3 - массивы кристаллических пород; 4 - плита Сибирской платформы; 5

- Кодаро-Удоканская складчатая система (архей-палеозой); 6 - Становая складчатая система (протерозой); 7 - Байкало-Витимская складчатая система (протерозой - ранний кембрий); 8 -Селенгино-Яблоновая складчатая система (ранний - средний палеозой); 9 - Монголо-Забайкальская складчатая система (поздний палеозой - ранний мезозой); 10 - внутриматериковые вулканические пояса; 11 - шовные разломы между крупнейшими геоструктурными единицами и их номера: I - Байкало-Становой; II - Монголо-Охотский; III - Онон-Туринский; IV - Восточно-Агинский; V - Каларский; 12 - региональные и локальные разломы; 13 - границы структурно-тектонических зон; 14 - границы угленосных отложений; 15 - угольные месторождения и их номера; 16 - углепроявления и их номера; 17 - эксплуатируемые месторождения; 18 -границы субъектов Федерации.

Угольные месторождения и проявления: 1 - Апсатское; 2 - Средне-Сакуканское; 3 - Чит-кадинское, 4 - Срелне-Каларское; 5 - Эландинское; 6 - Нерчуганское; 7 - Могочинское; 8

- Витимское; 9 - Букачачинское; 10 - Бодонское; 11 - Талинское; 12 - Ушмунское; 13 - Старо-Орловское; 14 - Лево-Делюнское; 15 - Урсинское; 16 - Тасейское; 17 - Черновское; 18

- Арбагаро-Холбонское; 19 - Олочинское; 20 - Дабан-Горхонское; 21 - Иргенское; 22 - Ку-кинское; 23 - Олентуйское; 24 - Сохондинское; 25 - Татауровское; 26 - Оленгуйское; 27 - Ты-ргетуй-Жимбиринское; 28 - Манай-Ажильское; 29 - Улетовское; 30 - Олонь-Шибирское; 31 -Кузнецовский Увал; 32 - Еланское; 33 - Буртуйское; 34 - Мунхарское; 35 - Тарбагатайское; 36

- Халяртинское; 37 - Эрдем-Галгатайское; 38 - Никольское; 39 - Тангинское; 40 - Урейское; 41 - Харанорское; 42 - Кужертайское; 43 - Кутинское; 44 - Чиндантское; 45 - Уртуйское; 46 -Приозерное; 47 - Пограничное; 48 - Мациевское; 49 - Средне-Аргунское; 50 - Даурское; 51

- Абагайтуйское; 52 - Ахалинское; 53 - Загустайское; 54 - Гусиноозерское; 55 - Катаевское; 56 - Шимбилинское; 57 - Зашуланское; 58 - Санагинское; 59 - Сангинское; 60 - Хара-Хужар-ское; 61 - Баянгольское; 62 - Окино-Ключевское; 63 - Красночикойское; 64 - Урлукское; 65

- Мордойское; 66 - Алтанское

Часто при вскрытии четвертичных отложений в бортах карьеров происходят оползни объемом в десятки и сотни кубических метров. Связано это с обводненностью и высокими фильтрационными свойствами четверичных образований. Коэффициенты фильтрации рыхлых пород вскрыши иногда достигают 180 м3/сут и более. Углевмеща-ющие породы и породы надугольной толщи зачастую значительно менее проницаемы, их коэффициенты фильтрации редко превышают 3...5 м3/сут. Являясь относительным водоупором для четвертичных водоносных пород, меловые образования служат подошвой четвертичного водоносного комплекса и способствуют транспортированию воды четвертичных образований к бортам разреза. При их разгрузке здесь зачастую наблюдаются суффозионные явления с потерей устойчивости борта и его оползанием. Дополнительным фактором потери устойчивости является и слабое сопротивление пород сдвигу при их обводненном состоянии.

Территория Забайкалья характеризуется широким развитием многолетнемерзлых пород (ММП), которые во многом определяют инженерно-геологические условия. Мощность ММП зависит от комплекса природных факторов и, в первую очередь, от широтной зональности и высотной поясности территории. Многолетнемерзлые породы, образовавшиеся согласно широтной зональности, формируют криолитозону зонального типа. Во впадинах Забайкальского и Байкальского типов, где в зимний период характерна температурная инверсия, в результате которой поверхность пород во впадинах имеет более низкие температуры, чем в пределах хребтов, криолитозона является азональной. В северном Забайкалье многолетняя мерзлота имеет преимущественно сплошное распространение, в центральном — прерывистое и островное, в южном — ред-коостровное. Геокриологическая характеристика основных угольных месторождений представлена в табл. 1.

Таблица 1

Геокриологическая характеристика основных угольных месторождений Забайкалья

Наименование месторождения Балансовые запасы каменных* и бурых углей, млн т Мощность ММП, м Температура пород,°С Распространение ММП на площади месторождения, %

Апсатское* 977 20...500 -3...-7 Сплошное

Читкандинское* 15

Нерчуганское* 9 50...300 -1...-5 Преимущественно сплошное

Букачачинское* 12

Красночикойское* 585 Прерывистое

Зашуланское* 173 0.200 1... -3

Шимбиликское* 24

Татауровское

Харанорское 848 0.25 4. ..-0,5 Редкоостровное

Уртуйское 127

К основным факторам, определяющим возникновение различных геокриологических осложнений при открытом способе разработки месторождения в зоне прерывистого и сплошного распространения многолетнемерзлых пород, относятся:

температура мерзлых пород, суровые природно-климатические условия, высокая обводненность месторождений при вскрытии подмерзлотных вод. При разработке месторождений открытым способом происходит деградация многолетней мерзлоты в кон-

турах карьеров и в зонах развития мощных фильтрационных потоков, возникающих при дренаже горных выработок и при скважинном водопонижении. Особенно это характерно для центрального и южного Забайкалья.

Разработка угольных месторождений подземным способом в Забайкалье вызывает деградацию мерзлых пород и обычно обусловлена проветриванием горных выработок. Деградация многолетнемерзлых пород по контуру выработок приводит к необходимости тщательного крепления их кровли во избежание вывалов, оплывин и других неблагоприятных последствий.

Гидрогеологические условия в значительной степени предопределены широким развитием многолетнемерзлых пород. Неравномерное по площади и в разрезе распределение мерзлых пород создает и неравномерные условия водообмена. Ослож-

нение инженерно-геологических условий территории месторождений часто обусловлено изменением динамики и режима подземных вод.

Основными факторами, определяющими снижение эффективности открытой разработки полезных ископаемых в сложных гидрогеологических условиях, являются высокие водопритоки в горные выработки и связанные с этим такие неблагоприятные процессы и явления, как суффозия, оползни и оплывины в бортах карьеров, выпоры пород и плывуны в почвах выработок, на-ледеобразование на транспортных путях, повышенная влажность горной массы и ее смерзаемость в зимнее время, деформации бортов, отвалов и транспортных путей при оттаивании многолетнемерзлых пород [1]. Затраты на водоотлив (рис. 2) существенно снижают эффективность добычи угля (табл. 2).

Таблица 2

Затраты угольных предприятий Забайкалья на карьерный водоотлив и дренаж подземных вод [1]

Наименование горного предприятия Общие водопритоки в разрез, м3/ч Затраты на водоотлив, тыс. руб/год Доля затрат на водоотлив в себестоимости угля, %

Разрез «Восточный» 4100 35916 10

Разрез «Тигнинский» 2000 26280 20

Разрез «Харанорский» 4150 36350 11

Разрез «Уртуйский» 1500 13140 15

Разрез «Тугнуйский» 2340 20500 15

Рис. 2. Водоотлив на разрезе «Восточный» шахтным насосом

Сложность инженерно-геологических условий может изменяться вследствие хозяйственного освоения территории и глобальных изменений климата. В результате деградации многолетнемерзлых пород происходит активизация таких экзогенных процессов, как эрозия, оползни, суффозия. Криогенные процессы, наоборот, имеют тенденцию к снижению интенсивности (наледеобразование, криогенное выветривание, морозобойное растрескивание), за исключением термоэрозии и термокарста на участках высокольдистых пород.

Выводы

1. Разработка угольных месторождений открытым способом приводит к существенным изменениям всех элементов инженерно-геологических условий: рельефа местности, напряженного состояния пород, режима подземных вод, температуры горных пород, что является причиной развития разнообразных геологических процессов. Характер и интенсивность возникающих геологических процессов зависят от особенностей геологического строения вме-

Литературя_

1. Беляков А.Е. Инженерно-физические методы повышения эффективности открытой разработки месторождений в сложных гидрогеологических условиях юга криолитозоны: на примере угольных месторождений юга Забайкалья: автореф. дис. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук. Чита, 2000. 25 с.

2. Верхотуров А.Г., Сидорова Г.П. Геокриологические условия разработки угольных месторождений Забайкалья: мат-лы IV междунар. науч.-практ. конф. Чита: ЧитГУ, 2011. С. 248-252.

3. Материалы дополнительных инженерно-геологических работ на западном борту разреза «Ур-туйский». Исходные данные для определения оптимальных параметров отработки юго-западного борта. Краснокаменск, ОАО «ППГХО», 2005. 75 с.

щающих и вскрышных пород и от степени техногенного воздействия.

2. Угольные месторождения, расположенные на территории Забайкальского края, характеризуются повышенной сложностью мерзлотно-гидрогеологических условий за счет наличия в угленосных отложениях, как правило, нескольких изолированных и взаимосвязанных водоносных горизонтов, нередко напорного характера, вследствие приуроченности многих угольных месторождений к отрицательным замкнутым структурам, а также наличия мно-голетнемерзлых пород.

3. Высокая обводнённость, выветривание, разупрочнение, набухание и другие деформации массива горных пород являются факторами, влияющими на устойчивость бортов разрезов и откосов уступов. В связи с этим актуальными являются исследования, направленные на изучение условий возникновения деформаций откосов склонов, их характера, а также определяющих факторов, оказывающих влияние на возникновение деформаций.

_References

1. Belyakov A.E. Engineering-physical methods to improve the efficiency of surface mining in complex hydrogeological conditions of the south permafrost zone: on the example of coal deposits of the south of Transbaikalie [Inzhenerno-fizicheskie metody povysh-eniya effektivnosti otkrytoy razrabotki mestorozhdeniy v slozhnyh gidrogeologicheskih usloviyah yuga kriolito-zony: Na primere ugolnyh mestorozhdeniy yuga Zabai-kaliya]: abstract dis. cand. tehn. sciences. Chita, 2000. 25 p.

2. Verkhoturov A.G., Sidorova G.P. Materialy dopolnitelnyh inzhenerno-geologicheskih rabot na za-padnom bortu razreza «UrtuyskiyIshodnye dannye dlya opredeleniya optimalnyh parametrov otrabotki yugo-zapadnogo borta (Permafrost conditions of coal deposits development of Transbaikalie): Materials of the IV International scientific and practical. conf. Chita ChitGU, 2011. P. 248-252.

3. Materialy dopolnitelnyh inzhenerno-geolog-icheskih rabot na zapadnom bortu razreza «Urtuyskiy». Ishodnye dannye dlya opredeleniya optimal'ynyh parametrov otrabotki yugo-zapadnogo borta (Materials of additional geotechnical work on the western side of the section «Urtuysky». Initial data for determining the optimal parameters mining south-western side). Krasnokamensk, JSC «PIMCU», 2005. 75 p.

4. Отраслевое совещание Министерства природных ресурсов и промышленной политики Забайкальского края 5 февраля 2015 г. Режим доступа: Ы1:р://минприр.забайкальскийкрай.рф/ news/2015/02/06/24245.html.

5. Томаков П.И., Манкевич В.В. Открыггая разработка угольных и рудных месторождений. М.: МГГУ, 2000. 611 с.

6. Угольная база России. Т. IV: Угольные бассейны и месторождения Восточной Сибири (Тунгусский и Таймырский бассейны, месторождения Забайкалья). М.: ЗАО «Геоинформмарк», 2001. 493 с.

7. Уланов H.H. Угли Забайкалья. Ростов н/Д: РГУ, 1973.

8. Шестернев Д.М., Верхотуров А.Г. Геокриологические условия и их влияние на разработку месторождений полезных ископаемых // Кулагин-ские чтения: техника и технологии производственных процессов: мат-лы XIV Междунар. науч.-практ. конф.: сб. ст. [в 3 ч.]. Чита: ЗабГУ, 2014. Ч. 1. С. 318-323.

9. Шестернев Д.М., Верхотуров А.Г Горно-геологическая среда месторождений полезных ископаемых Забайкалья в условиях изменения климата: монография. Чита: ЗабГУ, 2014. 227 с.

10. Щадов В.М. Открыптая разработка слож-ноструктурных угольных месторождений Восточной Сибири и Дальнего Востока. М.: Изд-во Московского горного университета, 2004. 298 с.

11. Ясько В.Г. Гидрогеология месторождений полезных ископаемыгх Сибири. М.: Недра, 1978. 273 с.

Коротко об авторах _

Верхотуров А.Г., канд. геол.-минерал. наук, доцент, зав. каф. «Гидрогеология и инженерная геология», Забайкальский государственный университет, г.Чита, Россия weral0606@yandex.ru

Научные интересы: инженерная геология, экология криолитозоны, геотехнология. экология подземных вод

Размахнина И.Б., аспирант, Забайкальский государственный университет, г. Чита, Россия razmakhnina. irina@mail.ru

Научные интересы: инженерная геология и геокриология угольных месторождений Забайкалья

4. Otraslevoe soveshhanie Ministerstva prirod-nyh resursov i promyshlennoy politiki Zabaikalskogo kraya 5 fevralya 2015 goda (The branch meeting of the Ministry of Natural Resources and Industrial Policy of the Transbaikal Region dated by 5 February 2015) Available at: http: //minprir.zabaykalskiykray.rf/ news/2015/02/06/242 45.html.

5. Tomakov P.I., Mankevitch V.V. Otkrytaya razrabotka ugolnyh i rudnyh mestorozhdeniy [Open pit coal and ore deposits]. Moscow: Moscow State Mining University, 2000. 611 p.

6. Ugolnaya baza Rossii (Coal base of Russia): coal basins and deposits in the Eastern Siberia (Tun-guska and Taimyr pools, fields of Transbaikalie). Moscow: ZAO «Geoinformmark», 2001. 493 p.

7. Ulanov N.N. Ugli Zabaikaliya [Coal of Transbaikalie]. Rostov-on-Don: RSU, 1973.

8. Shesternev D.M., Verkhoturov A.G. Kulagin-skie chteniya: tehnika i tehnologii proizvodstvennyh protsessov (Kulagin readings: technology and process engineering): materials of the XIV Intern. scientific and practical. conf.: Collected Art. [3 parts]. Chita: ZabGU, 2014. Part 1. P. 318-323.

9. Shesternev D.M., Verkhoturov A.G. Gor-no-geologicheskaya sreda mestorozhdeniy poleznyh iskopaemyh Zabaikaliya v usloviyah izmeneniya klimata [Mining and geological environment of mineral deposits under conditions of Transbaikal climate change]: monograph. Chita: ZabGU, 2014. 227 p.

10. Schadov V.M. Otkrytaya razrabotka slozh-nostrukturnyh ugolnyh mestorozhdeniy Vostochnoy Sibiri i Dalnego Vostoka [Active development of complex coal deposits in the Eastern Siberia and the Far East]. Moscow: Publishing House of the Moscow Mining University, 2004. 298 p.

11. Yasko V.G. Gidrogeologiya mestorozhdeniy poleznyh iskopaemyh Sibiri [Hydrogeology of minerals of Siberia]. Moscow: Nedra, 1978. 273 p.

_Briefly about the authors

A. Verkhoturov, candidate of geological and mineral-ogical sciences, associate professor, head of Hydrogeology and Engineering Geology department, Transbaikal State University, Chita, Russia

Scientific interests: engineering geology, ecology of permafrost, geo-technology, groundwater ecology

I. Razmakhnina, postgraduate, Transbaikal State University, Chita, Russia

Scientific interests: engineering geology and geocry-ology of coal deposits of Transbaikalie