CC BY
44
© Н.Н. Киселев, О.Ю. Квашук, 2006
УДК 622.03:574
Н.Н. Киселев, О.Ю. Квашук
ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ЗАДАЧИ УГОЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ НА РАЗНЫХ СТАДИЯХ ОСВОЕНИЯ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
Семинар № 6
азведка, добыча и потребление
-яГ топливно-энергетических ресурсов представляют собой крупномасштабное взаимодействие с окружающей средой, в ходе которого в нее поступают промышленные отходы и экологически вредные выбросы, в десятки раз превышающие объем используемого топлива. В экологическом отношении предприятия топливно-энер-гетического комплекса (ТЭК), в том числе угольной промышленности, являются потенциальным источником более 40 % загрязняющих веществ, поступающих в атмосферу, а также 60 % промышленных выбросов.
Сегодня, ввиду отсутствия нормативно-правовой базы, обеспечение экологической безопасности освоения недр не является функцией горного производства. Более того, при закрытии и консервации горного предприятия оно не несет никакой ответственности за экологические последствия своей деятельности [1]. В связи с этим, одной из первоочередных задач угольной промышленности является наблюдение и контроль состояния природной среды во избежание необратимых экологических катастроф.
Процесс освоения угольного месторождения состоит из трех этапов:
1) поиски и разведка месторождения;
2) разработка месторождения;
3)закрытие месторождения и вывод из эксплуатации угледобывающего предприятия.
В комплекс полевых геологоразведочных работ входят: геофизические, гидро-
геологические, геоботанические, инженерно-геологические исследования, а также бурение скважин и горные работы. Среди геофизических методов исследования на стадии поисков и разведки наиболее интенсивное воздействие на окружающую природную среду оказывают сейсморазведка (МОВ, МОГТ) и вибро-сейс, поэтому необходимо осуществлять переход от мощных источников постоянного тока на частотное зондирование, в первую очередь безопасное для биоты.
Гидрогеологические и инженерно-геологические исследования предусматривают бурение разведочных скважин, шурфов с проведением опытных и опытно-фильтрационных работ, в процессе которых нарушается режим подземных вод. В свою очередь, ведение буровых и горнопроходческих работ сопровождается использованием механизированных комплексов: буровых установок с дизельным и электрическим приводом, шнековых буров, ковшовых экскаваторов и другой техники; сооружением дорог, технологических площадок и инженерных коммуникаций. Как следствие происходит отвод земель, а также может подвергнуться загрязнению атмосфера, почва, грунтовые воды. Во избежание этого одной из геоэкологических задач на данном этапе работ является использование экологически безопасных технологий бурения, а также предусмотрение экранирующего слоя при сооружении технологических площадок с целью предотвращения попадания загрязняющих веществ в грунтовые воды и зону аэрации.
Рис. 1. Схема взаимодействия угольной промышленности с элементами природной среды
В целом существенного влияния на геологическую среду геологоразведочные работы не оказывают, и по их окончании все природные процессы стабилизируются.
Техногенное воздействие при освоении и разработке угольных месторождений оказывается на все компоненты окружающей среды (рис. 1):
• атмосферу (терриконы, отвалы твердых отходов, внезапные выбросы метана);
• гидросферу, включая поверхностные и подземные воды (изменение режима и качества вод);
• литосферу (нарушение устойчивости горных массивов, формирование зон интенсивной трещиноватости, проседание земной поверхности);
• биосферу (вывод из оборота сельскохозяйственных земель, лесных угодий, ухудшение здоровья населения, снижение рождаемости).
В результате подземной добычи угля гидродинамическая структура массива претерпевает следующие изменения:
1) происходит формирование единой гидродинамической системы за счет проходки многочисленных квершлагов и сбоек, вскрывающих разобщенные в естественных условиях водоносные горизонты;
2) увеличивается проницаемость массива в направлении простирания пород за счет проходки штреков;
3) повышается водопроводимость при-пластовых зон из-за обрушения кровли над выработанным пространством и образования разуплотненных трещинных зон;
4) создаются условия для свободной циркуляции воды за счет зон обрушения, примыкающих к целикам пород;
5) трещиноватые зоны, формирующиеся за счет обрушения пород кровли пластов, достигают местами дневной поверхности и улучшают условия гидравлической связи между подземными выработками и подземными водами коры выветривания.
Таким образом, одной из геоэкологических задач при эксплуатации угольных месторождений является комплексное изучение режима шахтных вод. Наблюдения следует вести не только в горных выработках, но и специально оборудованных скважинах стационарной сети, закладываемых в наиболее характерных пунктах на большой площади еще до начала горных работ. Результаты комплексного изучения режима шахтных вод позволяют наиболее обосновано определять эффективность водоотлива и принятых дренажных мероприятий, а также вносить необходимые коррективы в способы борьбы с притоками [2].
В процессе угледобычи из шахт и карьеров откачивается 750-770 млн м3 воды. Основными загрязнителями шахтных и карьерных вод являются взвешенные и минеральные вещества, нефтепродукты, соли тяжелых металлов, бактериальные примеси. Применяемое на данном этапе снижение вредного влияния высокоминерализованных шахтных вод на поверхностные воды путем регулируемого сброса малоэффективно. Использование известных методов опреснения шахтных вод сдерживается отсутствием оборудования и средств, обеспечивающих экономическую целесообразность выполняемых природоохранных мероприятий.
Для предупреждения засоления вод созданы и работают пруды-накопители шахтных вод, сброс из которых осуществляется в паводковый период. Однако пруды-накопители не решают всего комплекса проблем, к тому же обусловливают изъятие значительных площадей пахотных земель, а в результате фильтрации из прудов-накопителей происходит загрязнение подземных вод. Поэтому одной из геоэкологических задач является создание эффективных средств и технологий по деминерализации шахтных вод. Кроме этого необходима разработка и применение мероприятий по использованию шахтных вод после их очистки для хозяйственно-техни-ческих целей.
Ведение разработки угля влечет за собой изменение как массива горных пород, так и земной поверхности. Во-первых, процесс выемки угля сопровождается развитием трещиноватости вмещающих пород, что ведет к уменьшению их прочности.
Наиболее сложные изменения естественного геомеханического состояния массива пород происходят в условиях складчатого залегания и наличия тектонических нарушений.
При подработке толщи горными выработками в ней образуется три основные зоны сдвижения горных пород (рис. 2):
I - зона обрушения, составляющая 5-7 крат мощности отрабатываемого пласта;
II - зона активной трещиноватости горных пород, распространенная на 25 крат мощности вынимаемого пласта;
III - зона плавного прогиба слоев горных пород, которая может распространяться до поверхности земли;
IV - ненарушенная зона горных пород.
Во-вторых, в связи с извлечением полезного ископаемого и образованием полостей в горном массиве в виде различных выработок, а также ведением откачки шахтных вод происходит оседание земной поверхности под действием силы гравитации.
IV зона
Процесс добычи угля сопровождается отработкой породы, которая в значительных объемах выдается на поверхность и складируется в породные отвалы (терриконы). Вред, наносимый горными отвалами, заключается в том, что они занимают значительные площади пахотных земель, а также являются источниками выделения газов, радиационного излучения, пыли.
Учитывая то, что значительная их часть находится в черте городов и поселков, загазованность и запыленность нередко превышает санитарные нормы. По данным санитарных служб Донецкой области установлено, что атмосфера на расстоянии до 800 м от горящих отвалов интенсивно загрязняется сернистым газом и окисью углерода.
Таким образом, одной из геоэкологических задач является предотвращение самовозгорания отвалов, а также их рекультивация. С позиций снижения негативного воздействия на окружающую среду отвалов шахт необходим переход к замкнутому циклу производства и использование больших объемов отработанной породы в качестве закладочного материала выработанного пространства.
Отработка угля зачастую провоцирует выделения и внезапные выбросы газа и породы. Источниками выделения метана в шахте могут быть: отбитый уголь, обнаженная поверхность пластов и пород выработанного пространства, в которые газ по тре-
щинам попадает из разгруженных от горного давления подработанных пластов, а затем утечками воздуха выносится в выработки.
В рамках изучения механизма газовыделения в шахтах необходимо отметить, что главной причиной выделения газа является нарушение природного равновесия системы «газ-уголь» или «газ-порода».
Равновесие устойчиво лишь при естественном залегании, и любое физическое, в частности техногенное, вмешательство вызывает нарушение системы и способствует выделению газа. Для системы «газ-уголь» в условиях сближенных пластов техногенным фактором является над- или подработка. При нарушении природного равновесия метан из сближенных пластов по трещинам поступает в выработанные пространства или находится в свободном состоянии в полостях расслоения на контакте угольных и породных слоев с разными свойствами.
Кроме того, на внезапные выбросы метана оказывает влияние наличие тектонических нарушений вблизи очистного забоя. В настоящее время не существует методик прогноза, позволяющих получить данные о времени, месте и интенсивности газодинамических явлений. При прогнозе газовыделения требуется учитывать количество угля сближенных пластов, попадающих в указанные зоны в определенные периоды развития горных работ, и возможность выделения из них газа в выработки, а также углы падения пластов, поскольку от их значения зависят соотношения между размерами зон влияния очистной выемки в под- и надрабатываемых породах.
К основным изменениям геоэкологических условий, возникающих при ликвидации угольных предприятий, относятся следующие:
• подтопление и заболачивание сельскохозяйственных земель и промыш-ленно-городских территорий;
• снижение прочности приповерхностной зоны пород в основании зданий и сооружений;
• изменение геомеханического состояния горного массива, приводящее к
дополнительным подвижкам и оседаниям земной поверхности;
• образование новых путей миграции загрязняющих веществ и высокоминерализованных растворов, связанных с биологическими объектами, источниками питьевого водоснабжения, породами зоны аэрации;
• образование неконтролируемых путей миграции взрывоопасных газов, вследствие вытеснения их на поверхность.
С целью контроля изменения гидрогеологического и гидрохимического режимов перед началом ликвидации шахты должны быть решены следующие задачи:
• осуществить выбор способа закрытия и управления шахтными водопри-токами;
• осуществить выбор способа водо-понижения;
• сделать прогноз изменения водного баланса, качества поверхностных и подземных вод в зоне влияния ликвидируемой шахты;
• осуществить прогноз влияния затапливаемых шахт на местные источники хозяйственно-питьевого водоснабжения;
• организовать мониторинг за изменяющимися параметрами подземных вод.
На изменение геохимических параметров оказывает влияние и способ консервации шахты. Так при частичном затоплении шахты будет происходить переток подземных вод на соседние с незначительным изменением химсостава. А при полном затоплении шахты будут наблюдаться выходы высокоминерализованных вод на поверхность, которые могут проникать в источники питьевого водоснабжения.
При затоплении угольных шахт продолжается изменение состояния горного массива. В целом характер этого изменения такой же, как и на стадии эксплуатации шахт, однако причины, повлекшие их, несколько иные.
В процессе затопления горных выработок изменяются физико-механи-ческие
свойства вмещающих пород, в частности уменьшается их прочность, что может привести к нарушению геомеханического равновесия и активизации процессов сдвижения горных пород.
Особую опасность представляет затопление горных выработок, пройденных на малой глубине и имеющих выходы на земную поверхность. В такой ситуации может под воздействием воды активизироваться процесс обрушения вмещающих пород, что повлечет за собой образование провалов или глубоких мульд на земной поверхности.
В проектах ликвидации закрываемых шахт необходимо предусматривать затраты на проведение геомеханических, геологоразведочных и геофизических работ по определению степени опасности проявления процесса активизации сдвижений и деформаций земной поверхности при затоплении горных выработок и разработку мероприятий по безопасной эксплуатации подработанных территорий.
К одному из последствий закрытия шахт относится выделения метана. Накапливаясь при определенных горно-гео-логических условиях, метан проникает по трещинам и погашенным горным выработкам в действующие шахты и на поверхность земли. Это
1. Трубецкой К.Н. Проблема обеспечения экологической безопасности недропользования // Горный журнал.- 2003 - №4-5. - С.3-5.
создает взрывоопасную ситуацию в зданиях и сооружениях. С целью предотвращения пожаров необходимо бурение дегазационных сква-жин, как с целью утилизации, так и для промышленного извлечения метана. После ликвидации шахты необходимо ведение мониторинга на территории шахтных полей за выделением метана. Наиболее чувствительным критерием качества окружающей среды остается состояние здоровья населения. В структуре первичных заболеваний ведущие места занимают заболевания органов дыхания, системы кровообращения, мочеполовой системы, болезни кожи и подкожной клетчатки. Эпидемиологический характер носит заболевание населения туберкулезом.
Проведенный анализ экологических проблем горного производства показал, что негативному воздействию подвержены все оболочки природной среды. Однако до настоящего времени не существует бескомпромиссных решений, связанных со снижением экологического ущерба и их экономической целесообразностью. С целью снижения как экологического, так и экономического риска, многие технические решения требуют доработки и повышения оперативности.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
2. Гавриленко Ю.Н., Кренида Ю.Ф., Ермаков В.Н., Улицкий О.А., Дрибан В.А. Техногенные последствия закрытия угольных шахт Украины. -Донецк: Норд-Пресс,- 2004. - 631 с.
Коротко об авторах
Киселев Н.Н., Квашук О.Ю. - УкрНИМИ НАН Украины, г.Донецк.
