Принципы регламентации техногенных изменений гидросферы при подземном освоении недр

© Л.И. Бурцев, Ю.П. Галченко, Г.В. Сабянин, 2002

УДК 622.502

Л.И. Бурцев, Ю.П. Галченко, Г.В. Сабянин

ПРИНЦИПЫ РЕГЛАМЕНТАЦИИ ТЕХНОГЕННЫХ ИЗМЕНЕНИЙ ГИДРОСФЕРЫ ПРИ ПОДЗЕМНОМ ОСВОЕНИИ НЕДР

В

результате антропогенного вторжения в литосферу с целью извлечения минеральных ресурсов огромные ее участки переходят в новое качественное состояние. Возникают обширные зоны деформации, затрагивающие как подрабатываемые массивы горных пород, так и земную поверхность [1]. Развитие этих процессов активно нарушает равновесие всех элементов гидросферы Земли за счет изменения режима обращения подземных и поверхностных вод, а также их загрязнения и засорения.

Другой важной особенностью техногенного воздействия подземных горных работ является наличие достаточно длительного периода геомеха-нической релаксации, порождающего продолжение процессов изменения окружающей среды после полного прекращения добычи полезного ископаемого и ликвидации горного предприятия. С этой точки зрения все техногенные изменения абиоты экосистем можно разделить на обратимые, когда первоначальное состояние того или иного элемента абиоты восстанавливается в силу действия объективных законов природы, и необратимые, когда этого восстановления не происходит. Большую экологическую опасность, возникающую после окончания добычных работ, представляет ситуация, когда на одной и той же территории одни элементы абиоты подвергаются обратимым техногенным изменениям, а другие - необратимым. Тогда восстановление состояния первых происходит при фиксированном изменении вторых, и абиота в целом приобретает новое состояние,

которого не было ни до начала, ни в период отработки месторождения. А это, в свою очередь, может инициировать процесс разрушения первичной биоты. (Грант РФФИ № 00-05-64112).

Полное или частичное нарушение водоупорных оснований горизонтов глубинных вод, попавших в зоны обрушения, разломов и активных трещин, приводит к интенсивному дренажу подземных вод в горные выработки. Реакция геотехнологии на это физическое явление выражается в сознании системы активного водоотлива. Интенсивное удаление подземных вод из зоны горных работ приводит к понижению их свободной или напорной поверхности и формированию обширной воронки депрессии, охватывающей всю толщу налегающих пород до земной поверхности.

Согласно существующим представлениям, по степени связи подземных вод с поверхностью земли принято выделять три гидродинамические зоны:

• приповерхностная, характеризующаяся активной формой взаимосвязи с поверхностью и устойчивым стоком подземных вод в активные водотоки. Цикл обращения воды здесь соизмерим с вегетационным периодом растительности;

• средняя, отличающаяся замедленным водообменом и приуроченная к глубинам, превышающим уровень горизонта активного дренирования подземных вод гидрографической сетью. Время обновления запасов воды здесь измеряется годами и зависит от положения регионального дренирующего базиса;

• нижняя, характеризующаяся крайне медленным стоком или застойным режимом. Возобновление

запасов происходит за очень длительное, возможно геологическое, время [2].

С точки зрения сохранения биоты любой экосистемы, и, прежде всего ее фитоценоза, наибольшую опасность представляет нарушение водного баланса первой из обозначенных выше гидродинамических зон. Эта зона, в свою очередь, имеет собственную структуру, элементы которой выделяются по степени участия вод в обеспечении жизнедеятельности растительного сообщества на поверхности земли и по условиям питания и разгрузки [3]. Принципиальная схема обращения вод в приповерхностной зоне показана на рисунке.

Слой почвенных вод (Д) питается атмосферными осадками, а разгружается через механизмы испарения и десукции. Вода здесь находится в связанном состоянии, а ее оборот идет только по вертикали через земную поверхность. Слой грунтовых вот (Г) имеет два источника питания. В нем частично аккумулируется избыток воды, не попавший в кругооборот почвенного слоя, но основная масса воды поступает из областей питания, приуроченных в основное к объектам гидрографической сети региона. Разгрузка этого слоя идет в гидрографическую сеть и очень небольшой своей долей может поступать через капиллярную кайму (К1) в слой почвенных вод.

Как следует из описанного механизма системы водного питания фитоценозов экосистем, из всего объема почвенно-грунтовых вод только грунтовые воды и воды капиллярной каймы способны вытекать при вскрытии

Принципиальная схема обращения вод в приповерхностной гидродинамической зоне: К -корнеобитаемый слой; Д - горизонт почвенных (подвешенных) вод; Кх - капиллярная кайма; Г - горизонт грунтовых вод; Вх и В2 - горизонты

их дренирующей поверхностью, но они практически не участвуют в обеспечении питания корнеобитаемого слоя. Этот слой находится в пределах горизонта почвенных вод, загрузка которого идет за счет осадков, а разгрузка - за счет испарения и десук-ции. Поэтому при отсутствии нарушений земной поверхности и водоупорного основания горизонта грунтовых вод, сам факт развития воронки депрессии не изменяет условий водного питания фитоценозов на поверхности, и данный вид техногенного воздействия не требует биологической регламентации.

Развитие процесса плавного техногенного прогиба земной поверхности порождает потенциальную возможность изменения условий водного питания корнеобитаемого слоя фитоценозов. Причем время проявления этой опасности зависит от состояния горизонта грунтовых вод.

Если техногенные изменения налегающей толщи горных пород не затрагивают водоупорного основания этого горизонта, то развитие процесса необратимого техногенного прогиба земной поверхности, при фиксированном по условиям питания и разгрузки положении уровня грунтовых вод, приводит к уменьшению толщины зоны аэрации (рисунок) и созданию условий анаэробиоза для корнеобитаемого слоя с последующей деградацией поверхностного фитоценоза уже в период отработки запасов месторождения (или его участка).

Если водоупорное основание горизонта грунтовых вод оказывается нарушенным в результате подработки, то активный водоотлив при ведении подземной добычи приводит к снижению уровня грунтовых вод, и техногенный прогиб земной поверхности в этот период может не иметь никаких негативных последствий с точки зрения условий водного питания фитоценоза. По окончании же горных работ в силу обратимости депрессионных процессов уровень воды во всех водоносных горизонтах (в том числе и горизонта грунтовых вод) восстанавливается. При наличии необратимого прогиба земной поверхности это приводит к формированию условий анаэробиоза корнеобитаемого слоя вплоть до заболачивания территории. То есть в этом случае экологические последствия как бы смещаются во

времени на период послеэксплуатаци-онной релаксации геосистемы.

Как видно из рисунка полный анаэробиоз корнеобитаемого слоя (предел выживаемости видов по условиям водного питания) наступает, когда техногенное опускание поверхности окажется равным зоне аэрации (А). В силу необратимости геомеханических изменений земной поверхности, биологическое ограничение его величины (Нд) в обоих описанных выше случаях должно производиться не по условию допустимого уровня деградации фитоценоза, как это было принято, например, при исследовании влияния пылевого фактора, а по условию полного исключения самой возможности этой деградации:

Нп = А - К

где К - толщина корнеобитаемого слоя фитоценоза.

Развитие деформационных процессов в подработанной толще порой оказывает существенное влияние на характер обращения подземных вод путем полного или частичного нарушения водоупорных оснований пластов. Характер этих нарушений зависит от того, в какую зону деформации они попадают в процессе выемки полезного ископаемого [1].

В зонах обрушения и разломов во-доупоры подвергаются полному разрушению, и разгрузка водоносных горизонтов полностью идет через систему горных выработок.

В зоне активных трещин имеет место частичное нарушение баланса обращения подземных вод, пропорциональное интенсивности трещино-образования в подработанном массиве.

В зоне локальных трещин нарушение системы разгрузки водоносных горизонтов незначительно и имеет местный характер.

В зонах плавного прогиба пластов дренирование подземных вод в горные выработки исключается.

Возникновение в результате развития деформационных процессов гидравлической связи между водоносными горизонтами и горными выработками нарушает естественную систему разгрузки этих горизонтов, что эквивалентно уменьшению гидравлического сопротивления в них. Поэтому технологически необходимая откачка подземных вод, может привести

к потерям речного стока вплоть до исчезновения мелких водотоков в пределах образующейся воронки депрессии. Локальный экологический вред этих процессов очевиден. Но так как сброс откачиваемых вод происходит в ту же гидрографическую сеть, создавая местное увеличение объема речного стока, здесь мы имеем дело с перераспределением ресурсов поверхностных и подземных вод во времени, по площади речного бассейна и в толще осушаемых пород. Поэтому необходимость биологической регламентации количества откачиваемых вод не представляется очевидной. Мерой же предотвращения локальных потерь речного стока является организация сброса очищенных шахтных вод в водотоки, попадающие в пределы действия воронки депрессии.

Гораздо большую экологическую проблему представляет собой изменение качества поверхностных водотоков под влиянием сброса в них вод, вовлеченных в технологический цикл горнодобывающего предприятия. Основными причинами потери качества вод являются их загрязнение и засорение. Под загрязнением понимают насыщение вод вредными веществами в количествах или сочетаниях, превышающих ассимиляционные способности водных экосистем. В отличие от загрязнения под засорением принято понимать поступление в водную среду нерастворимых примесей, не изменяющих химического состав воды [4].

Рассматривая механизм техногенного загрязнения природных систем вообще (и водных - в частности) по характеру участия в общем процессе, можно выделить три экологических блока:

• источники загрязнений - элементы техносферы, в которых воспроизводятся техногенные вещества, поступающие в природную среду;

• транзитные среды, в которых происходит прием, транспортировка и частичная трансформация техногенных веществ;

• депонирующие среды, в которых техногенные вещества накапливаются и преобразуются.

Применительно к вопросу загрязнения водных экосистем при подземной разработке месторождений источником загрязнения являются откачиваемые шахтные воды, насыщен-

ные различными поллютантами, которые по своему характеру можно разделить на органические, механические и химические. Транзитная среда для всех них одинакова, а депонирующие среды - разные, что делает необходимым рассмотрение вопроса о биологической регламентации качества сбрасываемых вод дифференцированно для каждой группы техногенных примесей.

По отношению к органическим загрязнениям природные водные сообщества обладают автогенеративными свойствами и способны к естественному самоочищению путем деструкции органических примесей и превращения их в минеральные соединения углерода и азота за счет метаболической деятельности аэробных ор-ганотрофных микроорганизмов (углеродная стадия) и автотрофных нитрифицирующих бактерий (азотная стадия). Развитие этих процессов принято оценивать тестом биохимического потребления кислорода (БПК), определяемым по стандартным методикам. Через соотношение измеряемых величин БПК построен универсальный интегральный показатель (РБПК) отражающий реальную антропогенную нагрузку на самоочи-щающую способность воды конкретного водного объекта [5]: г=тах С

Р

БПК

I

і=норма

'ері

С

н

і=тах С

I

ері

С

н

где Сср. - средняя величина БПК по

группе замеров, мг/дм3; Сн - начальная величина БПК до загрязнения, мг/дм3; ni - число замеров в каждой группе.

Анализ этого выражения, методологии проведения и обработки результатов натурных замеров показывает, что теоретически биологическим пределом загрязнения рудничных вод органическими примесями является такой его уровень, при котором расход кислорода на его окисление не превышает начальной величины этого показателя для данной водной экосистемы Сср тах = Сн . То есть нагрузка

на водную биоту равна ее самоочи-щающей способности.

Вместе с тем известно, что эта

способность, в свою очередь, является функцией скорости развития гетеротрофных микроорганизмов и, следовательно, зависит от температуры среды. По этому признаку активность самоочищения природных вод делят на три фазы: оптимальную

[5].

Вполне очевидно, что вследствие непрерывности откачки рудничных вод и сброса их в водоемы органическое загрязнение во время протекания двух последних фаз будет нарастать вплоть до начала фазы активности. Поэтому, определяя пороговую величину такого загрязнения по условиям самоочищения, необходимо как бы зарезервировать часть природного потенциала биоты водной экосистемы для биологической переработки загрязнений, накопившихся в периоды низкой активности, введя в балансовое равенство Сер тах = Сн , коэффициент, учитывающий это обстоятельство:

С =__________СН________

Сср тах гр гр ,

1 + ІЗ, + 0.5.т2_

365 365

где Т з и Т 2 - соответственно длительность фаз торможения и угнетения.

Механические взвеси в сточных водах добывающих предприятий представлены в основном мелкодисперсными минеральными частицами с диаметром не более 0,01-0,02 мм. Концентрация их может достигать нескольких граммов на литр. Вполне очевидно, что этот вид техногенного загрязнения поверхностных вод следует рассматривать с точки зрения снижения светового потока, поступающего в водную экосистему. Поэтому индикацию и регламентацию этого техногенного фактора целесообразно проводить по состоянию аль-гофлоры. Степень изменения интенсивности светового потока можно определить по величине показателя прозрачности воды, измеренной диском Секки.

Предположив, что интенсивность фотосинтеза прямо пропорциональна количеству световой энергии и приняв за основу общеметодический подход, примененный для оценки и регламентации пылевого загрязнения

фитоценозов, можно записать уравнение баланса биомассы для водорослей-индикаторов в фитопланктоне и в обрастаниях [5]:

А • Ь = в,

где Ар - продуктивность альгофло-

ры в водоеме до начала сброса шахтных вод (в реках - выше по течению от точки сброса); Ь и Ь - соответственно, показатель прозрачности после сброса шахтных вод и до него; В -расход органического вещества в процессе жизнедеятельности альгоф-лоры водной экосистемы.

Из этого уравнения можно определить критическую величину прозрачности воды, от которой легко перейти к допустимому уровню механического загрязнения сбрасываемых в экосистему шахтных вод методом калибровочного эксперимента.

Сложность состава загрязнителей рудничных вод и различный механизм их ассимиляции в природных водоемах предопределяет формирование в них различных по размерам зон техногенного поражения биоты для каждого из типов загрязнителей.

Внешняя граница зоны распространения в водоеме органических примесей определяется в каждом конкретном случае скоростью их биохимического окисления и деструкции. Причем в периоды фаз температурного угнетения и торможения процессов самоочищения природных вод, размер зоны загрязнения увеличивается, а в фазе оптимума активности - сокращается.

Механизм естественной очистки природных вод от механических минеральных взвесей включает в себя гравитационное осаждение твердых частиц и фильтрацию вод через водную растительность. Поэтому внешняя граница зоны такого загрязнения определяется интенсивностью этих процессов.

Общим для рассмотренных выше видов техногенных загрязнений, попадающих в водные экосистемы при откачке шахтных вод, является то обстоятельство, что зоны распространения каждого из них, хотя и различны по размерам, но конечны, и в пределах этих зон за счет развития биохимических и физических процессов происходит восстановление природ-

• п

п

ного состава и свойств воды. Поэтому биологическая регламентация уровня подобных загрязнений производится по условиям постоянного сохранения природными водоемами способности к естественному самоочищению.

Применительно к химическим загрязнениям шахтных вод в виде растворенных солей тяжелых металлов, хлоридов, неорганических кислот и т.п. наблюдается совершенно иная картина. Жизнедеятельность биоты водных экосистем либо подавляется действием этих веществ [6], либо не имеет механизма их ассимиляции. В этом случае водные системы являются в основном транзитной средой, а среда депонирующая - в большинстве случаев отсутствует. Поэтому размеры и характер развития зоны загрязнения естественных водоемов определяется физическими процессами перемешивания и деконцентрации в них химических веществ, привносимых с откачиваемыми шахтными во-

1. Иофис М.А., Шмелев А.И. Инженерная геомеханика при подземной разработке. - М.: Недра, 1985, - 248 с.

2. Гавич И.К. Гидрогеодинамика. -М.: Недра, 1988, - 196 с.

3. Ситников А.Б. Динамика влаги и солей в почвогрунтах зоны аэрации. - Киев: Наукова думка, 1986, - 210 с.

4. Певзнер М.Е., Малышев А.А., Мельков А.Д., Ушань В.П. Горное дело и ох-

дами. Теоретически внешняя граница зоны этого вида загрязнения может быть проведена по линии нулевой степени аномальности каждого вещества относительно природного содержания в районе месторождения. Воздействие химических загрязнений носит длительный характер и в соответствии с этой длительностью и постоянной, технологически обусловленной интенсивностью обладает кумулятивным эффектом.

Известно, что донные животные и их сообщества могут служить хорошими показателями происходящих изменений внешней среды. В отличие от фито- и зоопланктона эти сообщества являются более консервативными, так как образующие их популяции обладают, как правило, продолжительными жизненными циклами и очень тесно связаны со средой своего обитания - донными биотопами. Особенности экологии зообентоса придают ему способность как бы аккумули-

рана окружающей среды. - М.: Изд. МГГУ, 2000, - 297 с.

5. Трофимович Е.М., Гурвич С.М. Охрана водных объектов при добыче и обогащении руд и углей. М.: Недра, 1985, -191 с.

6. Человек и биосфера. - М.: Изд. МГУ, 1982, Вып. 6, - 184 с.

7. Методы биологического анализа пресных вод. Л.: Наука, 1976, - 167 с.

ровать изменение условий существования во времени и отражать не случайные и незначительные воздействия на водную экосистему, а воздействия, носящие длительный характер [7]. Поэтому состояние зообентоса может быть наиболее надежным индикатором реакции биоты на поступление в нее химических загрязнений при откачке шахтных вод [8].

В каждом конкретном случае при любом сочетании количества и качества сбрасываемых вод и типа водоема общий методологический подход к задаче биологической регламентации этого вида техногенных загрязнений целесообразно строить на основе применения закона Либиха-Шелфорда [9] для определения диапазонов толерантности индикаторных видов или более крупных таксонов, характеризующих зообентос реального водоема.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

8. Методология оценки состояния и картографирования экосистем в экстремальных условиях. - Пущино: Наука, 1993, - 202 с.

9. Галченко Ю.П. Концепция экологической безопасности промышленного производства в условиях устойчивого развития. Экологические системы и приборы, № 5, 2000, - С. 21-30.

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

Бурцев Л.И. — кандидат технических наук, Институт проблем комплексного освоения недр РАН.

Галченко Ю.П. —доктор технических наук, чл.-корр. РЭА, Институт проблем комплексного освоения недр РАН. Nääyiei A.A. — горный инженер, Emoeooo i'öiaeäi eiiieäemiäi lnäiaiey iaäö DAL

«НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА-2001» СЕМИНАР № 18