Особенности проявления и предотвращения негативных гидрогеоэкологических последствий ликвидации шахт в различных угольных бассейнах

блюдением технологического регламента работы газоочистных сооружений и за другими объектами комбинатов. Имеются и другие проблемы, которые решаются пока медленно из-за недостатка финансовых ресурсов.

Тем не менее есть надежда на решение этих проблем и снижение реальной экологической нагрузки в регионе.

Например, в феврале 2000 г. был заключен договор о сотрудничестве в области охраны природы между ОАО «Котласский ЦБК», Государственным комитетом по охране окружающей среды Архангельской области и Внебюджетным экологическим фондом Архангельской области, внебюджетным государственным экологическим фондом Коряжмы. В этом договоре

определены обязанности сторон по регулированию отношений по выполнению значимых для Архангельской области природоохранных мероприятий и определено финансирование природоохранных программ и мероприятий.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -----------------------------------------

Половникова Г. С. — ст. преподаватель, Поморский технический университет. Щербакова Е.П. — доцент, Московский государственный горный университет.

© А.Г. Скворцов, Н.И. Строк, 2002

УДК 622.8

А.Г. Скворцов, Н.И. Строк

ОСОБЕННОСТИ ПРОЯВЛЕНИЯ И ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ НЕГАТИВНЫХ ГИДРОГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПОСЛЕДСТВИЙ ЛИКВИДАЦИИ ШАХТ В РАЗЛИЧНЫХ УГОЛЬНЫХ БАССЕЙНАХ

Л

иквидация угольных шахт сопровождается проявлением негативных гидродинамических и экологических последствий, основными из которых являются: излив шахтных вод на поверхность, подтопление территорий шахтными и грунтовыми водами, загрязнение подземных и поверхностных вод и источников питьевого водоснабжения, повышенные перетоки и прорывы шахтных вод на смежные действующие шахты, неуправляемое вытеснение водой на поверхность шахтных газов и другие.

Для предотвращения негативных последствий ликвидации шахты применяются следующие природоохранные мероприятия:

• сохранение водоотлива шахты (сухая консервация);

• поддержание пониженного уровня затопления шахт путем откачки шахтных вод погружными насосами;

• перепуск воды на водоотливы смежных шахт;

• организация управляемого излива и отвода шахтных вод с использованием вскрывающих выработок, вертикального (скважины) и горизонтального (канавы) дренажа;

• тампонаж стволов шахты, разведочных и технических скважин;

• засыпка провалов на земной поверхности;

• сооружение водонепроницаемых перемычек между шахтами;

• устройство очистных сооружений;

• управление газовыделением с использованием стволов и дегазационных скважин;

• проведение экологического мониторинга на поле ликвидированной шахты.

Существенное влияние на изменение гидродинамических и экологических условий при ликвидации шахты оказывает сочетание гео-структурных, гидрогеологических, технологических и геомеханиче-ских факторов, которые должны учитываться при опережающем прогнозе изменения гидрогеоэкологической обстановки в районе шахтного поля.

При составлении прогноза негативных гидрогеоэкологических последствий ликвидации шахты необходимо учитывать следующие факторы.

Геоструктурные факторы:

• структура залегания круп-

ных форм угленосных отложений (платформа, моноклиналь, синклиналь, брахисинклиналь, антикли-

наль, седловина и другие);

• элементы залегания отло-

жений (замок и крылья складок);

• залегание отложений по углам падения пластов (гори-

зонтальное, пологое, наклонное, крутое);

• рельеф земной поверхности или перепад отметок поверхности в пределах шахтного поля;

• степень тектонической на-рушенности, шахтного поля разрывами и локальными складками;

• наличие, мощность и состав покровных отложений на водораздельных, склоновых и пойменных участках шахтного поля;

• развитие и мощность мерзлых пород и таликов. Гидрогеологические факторы:

• мощность и площадное развитие водоносных и водоупорных слоев в угленосных и покровных отложениях;

• перепад естественных и нарушенных уровней подземных вод в зоне влияния шахты;

• гидродинамическая зональность пород, учитывающая изменение степени водообмена с глубиной (зоны активного, замедленного и весьма замедленного водообмена);

• фильтрационные свойства пород (водопроводимость) в каждой гидродинамической зоне;

• наличие в пределах и вблизи шахтного поля водотоков и водоемов, затопленных горных выработок;

• величины притоков воды в шахту, их сезонные колебания;

• состав поверхностных, подземных и шахтных вод.

Технологические факторы:

• глубина разработки угольных пластов (минималь-ная и максимальная);

• способ вскрытия угольных пластов (вертикальными или наклонными стволами, квершлагами, штольнями и др.);

• порядок отработки пластов (восходящий, нисходящий);

• направление выемки пластов;

• вынимаемая мощность пластов;

• способ управления кровлей;

• наличие смежных действующих или ликвидированных шахт и разрезов.

Геомеханические факторы:

• размеры барьерных целиков между шахтами;

• размеры предохранительных целиков между отдельными пластами;

• наличие подработок и прорезок целиков горными выработками;

• объемы остаточной пустотности отработанного массива;

• наличие просадочных явлений и провальных воронок на поверхности земли.

Большое количество факторов обуславливает разнообразие возможных гидродинамических и экологических последствий ликвидации шахт, которые необходимо заблаговременно прогнозировать для обоснования природоохранных мероприятий. Вместе с тем специфика геоструктурных, гидрогеологических, технологических и геомеха-нических условий различных бассейнов и месторождений обуславливает возможность группирования последствий ликвидации шахт и возможность обоснования для каждого типа месторождений типовых природоохранных мероприятий. Основными типообразующими факторами являются геоструктур-ные.

Так, например, в Подмосковном буроугольном бассейне платформенная структура, весьма пологое или горизонтальное залегание угольных пластов, равнинная поверхность земли и наличие покровных отложений предопределяют отсутствие случаев подтопления территорий, что подтверждено на нескольких десятках ликвидированных шахт. Однако малая глубина разработки пластов (50-100 м), совпадающая с зоной активного водообмена, обуславливает весьма интенсивную связь шахтных и подземных вод (шахты Никулинская,

Подмосковная, Бельковская и др.). Практически во всех случаях горными работами вскрываются, подрабатываются и загрязняются водоносные горизонты, используемые для питьевого водоснабжения. После ликвидации шахты уровни шахтных вод восстанавливаются до естественных уровней подземных вод, происходит активное их смешивание и вынос за пределы шахтного поля в направлении естественного тока (рис. 1а). Основными природоохранными мероприятиями здесь могут являться: поддержание сниженного уровня затопления шахты погружными насосами, предотвращающее загрязнение водоносных горизонтов; перенос водозаборных сооружений за пределы ареала загрязнения водоносных горизонтов.

В Кузнецком и других каменноугольных бассейнах, характеризующихся складчатыми формами залегания угленосных отложений и холмистым рельефом, при ликвидации шахт основной проблемой является излив шахтных вод на поверхность с подтоплением и заболачиванием территорий, включая жилые застройки и сельхозугодья (шахты Пионерка, Судженская, Шушталепская, им. Димитрова и др.). Эти явления обусловлены восстановлением артезианских свойств водоносных горизонтов и дополнительным подпором шахтных вод в депрессиях рельефа земной поверхности. Дополнительный подпор вызван значительным увеличением проницаемости пород, нарушенных горными работами (техногенного водоносного горизонта), в результате чего при затоплении шахты уровень воды в ее пределах выравнивается, то есть становится ниже естественного на водораздельных участках шахтного поля и выше естественного в логах и поймах рек (рис. 1Ь).

Рис. 2. Г еолого-гидрогеологический разрез через участок Бутовский-Западный в долину реки М. Чеснокова

Рис. 1

Основными природоохранными мероприятиями для снятия избыточного подпора шахтных вод и предотвращения подтопления территорий являются: бурение водовыпускных скважин и сооружение дренажных канав. В редких случаях применяется принудительное водо-понижение.

Загрязнение водоносных горизонтов в Кузнецком бассейне носит ограниченный характер, что обусловлено его гидрогеологическими и геоструктурными особенностями. Во-первых, водоносность пород развита преимущественно в пределах зоны активного водообмена, то есть на малых глубинах. Это затрудняет смешивание наиболее загрязненных шахтных вод глубоких горизонтов с приповерхностными подземными водами. Во-вторых, наклонное моноклинальное залегание угольных пластов практически исключает загрязнение шахтными водами смежных водоносных горизонтов, не затронутых горными работами. Это обусловлено очень ограниченной проницаемостью пород вкрест их простирания из-за пере-

слаивания водоносных слоев с водоупорными (рис. 1с). Поэтому загрязнение обычно ограничивается узкой полосой и редко затрагивает источники питьевого водоснабжения.

Особые условия формирования притоков воды и условия затопления шахты отмечаются при ее расположении в брахисинклинальной складке - наиболее гидравлически изолированной геологической структуре (шахта Пионерка). Шахтные воды в ее пределах оказываются как бы захороненными и практически не смешиваются с подземными водами смежных горизонтов за пределами складки (рис. Ы).

Благоприятные последствия ликвидации шахт обеспечиваются на месторождениях с наличием мощных покровных отложений, которые препятствуют изливу шахтных вод на поверхность и перекрывают значительную часть зоны активного водообмена, препятствуя развитию загрязнения. Основным природоохранным мероприятием здесь яв-

ляется гидроизоляция вскрывающих выработок и скважин.

Мощные покровные водоупорные отложения и практически безводные угленосные отложения больших глубин на буроугольных шахтах Приморского края (шахты им. Артема, Капитальная) позволяют обеспечить полное предотвращение гидравлической связи шахтных вод с приповерхностными подземными водами. Аналогичные условия могут быть достигнуты и в районах развития вечной мерзлоты (шахты Омсукчанская, Кадыкчан-ская). Теоретически ликвидация шахт в этих условиях может быть экологически безопасной даже при захоронении в них токсичных отходов.

В качестве примера представляет интерес условия затопления шахты Бутовская в Кузбассе, где первоначально ожидались повышенный подпор и излив шахтных вод и подтопление территорий. Однако учет особенностей геологического строения поля шахты позволил скорректировать прогноз последствий ее затопления. Согласно гидродинамическому расчету весь

объем ожидаемого излива шахтных вод будет поглощаться мощным га-лечниковым горизонтом третьей террасы реки Томи, по всей площади перекрытым водоупорными суглинками (рис. 2). Прогноз исключает подтопление территорий и необходимость применения дорогостоящих водозащитных мероприятий.

Существенно осложняет гидродинамические и экологические последствия ликвидации шахт нарушение предохранительных и барьерных целиков между шахтами, их прорезкой выработками и водоспускными скважинами. Это приводит к резкому повышению притоков воды на водоотливы действующих шахт, а в случае полной ликвидации группы шахт - к изливу на поверхность значительного объема шахтных вод с высокой степенью загрязнения.

Таким условиям соответствует группа ликвидируемых шахт Но-вошахтинского района Донбасса, где весь излив воды с дебитом порядка 500 м3/ч и минерализацией

около 10 г/л ожидается на поле шахты им. Кирова.

Наиболее неблагоприятные условия данный фактор создает на шахтах полностью ликвидированного Кизе-ловского бассейна. Здесь излив шахтных вод достигает 500 м3/ч, минерализация 15 г/л, и, кроме того, изливающиеся воды имеют рН=2,5-3, что существенно осложняет экологическую ситуацию и требует проведения систематических и весьма дорогостоящих мероприятий по очистке и нейтрализации шахтных вод.

Причинами формирования такого значительного излива и высокой степени загрязнения шахтных вод являются большой перепад отметок поверхности и уровней подземных вод и наличие гидравлической связи между шахтами на глубоких горизонтах. Сбойки между шахтами и водоспускные скважины сооружались в ряде случаев специально, чтобы сконцентрировать излив шахтных вод в одном месте. В результате создаются условия для повышенного подпора шахтных вод, перетока воды между шахтами и вос-

ходящего потока наиболее загрязненных вод глубоких горизонтов к участку их излива на поверхность.

Предотвращение таких негативных последствий ликвидации группы шахт может быть осуществлено путем создания водонепроницаемых перемычек в выработках, прорезающих целики, и тампонажа водоспускных скважин.

Данные примеры отражают

многообразие возможных гидродинамических и экологических последствий ликвидации угольных

шахт и свидетельствуют о необходимости составления опережающего прогноза этих последствий с целью обоснованного и заблаговременного выбора природоохранных мероприятий. К сожалению, на практике разработка природо-

охранных мероприятий проводится без надлежащего прогноза или после фактического проявления негативных последствий ликвидации шахт, что приводит к значительным материальным и экологическим издержкам.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Скворцов А.Г, Строк Н.И. — Институт горного дела им. А.А. Скочинского.