CC BY
43
УДК 622.03
ИЗМЕНЕНИЕ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ И ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ПРИ ОСВОЕНИИ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ЗАБАЙКАЛЬЯ
А.Г. Верхотуров1
Забайкальский государственный университет, 672039, Россия, г. Чита, ул. Александро-Заводская, 30.
Целью работы является изучение причин изменения инженерно-геологических и гидрогеологических условий в южной криолитозоне на стадиях поисков, разведки и эксплуатации рудных месторождений.
В Забайкалье деградация многолетнемерзлых пород вызывает развитие опасных экзогенных процессов, оказывающих отрицательное воздействие на горные выработки. Негативные экологические последствия, связанные с водопритоками в выработки, отмечены при консервации или завершении эксплуатации месторождений.
Показано, что для обеспечения экологической безопасности при разработке рудных месторождений в Забайкалье необходим постоянный мониторинг инженерно-геологических и гидрогеологических условий, позволяющий принимать своевременные управляющие решения, включая этап завершения рекультивации после отработки месторождения. Это возможно на основе создания автоматизированной постоянно действующей опорной сети наблюдательных пунктов, оборудованных измерительной аппаратурой. Реализация мероприятий по контролю загрязнений поверхностных и подземных вод позволит сохранить экосистемы Забайкальского края.
Ключевые слова: криолитозона; деградация; температура; порода; месторождение; инженерно-геологические условия; подземные воды.
CHANGE OF GEOTECHNICAL AND HYDROGEOLOGICAL CONDITIONS UNDER TRANSBAIKAL ORE FIELDS DEVELOPMENT
A.G. Verkhoturov
Transbaikal State University, 30 Aleksandro-Zavodskaya St., Chita, 672039, Russia.
The causes of changes in geotechnical and hydrogeological conditions in the southern cryolithic zone are considered at the stages of prospecting, exploration and exploitation of mineral deposits.
Degradation of permafrost rocks in the Transbaikal region causes the development of hazardous exogenous processes that negatively affect mining. Adverse ecological impacts associated with water inflows into the workings, are noticed under the conservation or mine closure.
It is shown that environmental safety under development of Transbaikal ore deposits can be ensured through the constant monitoring of geotechnical and hydrogeological conditions that will allow to make timely management decisions, including the stage of reclamation completion after field mining. The former can be achieved through the creation of the automated permanent support network of observation points equipped with instrumentation. Implementation of measures to control surface and ground water pollution will preserve Transbaikal ecosystems.
Keywords: cryolithic zone; degradation; temperature; rock; field; geotechnical conditions; groundwaters.
Проблема трансформации геологической среды с момента поисков, разведки и эксплуатации рудных месторождений до момента их консервации или завершения отработки в настоящее время становится все более актуальной.
Основной причиной изменения инженерно-геологических и гидрогеологических условий на месторождениях является деградация многолетнемерз-лых пород (ММП), связанная с техногенными воздействиями и глобальными изменениями климата.
:Верхотуров Алексей Геннадьевич, кандидат геолого-минералогических наук, доцент, тел.: 89144881533, e-mail: [email protected]
Verkhoturov Alexey, Candidate of Geological and Mineralogical sciences, Associate Professor, tel.: 89144881533, e-mail: [email protected]
Забайкалье имеет значительную протяженность с юга на север, что сказывается в строении криолитозоны. По современным представлениям [4] здесь выделяется зональный и азональный типы криолитозоны. В зависимости от
особенностей отдельных характеристик криолитозоны проведено районирование территории Забайкалья (рисунок), и выделены шесть регионов с зональными и четыре региона с азональными типами криолитозоны (таблица).
Криолитозоны Забайкалья и основные месторождения рудного золота, осваиваемые* и пригодные к освоению, масштаб 1:7500000 (по [4] с изменениями):
I - криолитозона зонального типа: 1 - плоскогорье южной окраины Сибирской платформы;
2 - горные сооружения альпийского типа; 3 - Витимское плоскогорье и северная часть Олекминского
Становика; 4 - среднегорье Центрального и Восточного Забайкалья; 5 - низкогорье Центрального и Юго-Восточного Забайкалья; 6 - низкогорье Юго-Восточного Забайкалья;
II - криолитозона азонального типа; 1 - впадины байкальского типа; 2 - впадины байкальского типа и межгорные котловины; 3 - аллювиальные равнины и степи; 4 - впадины монгольского и забайкальского типов;
III - прочие обозначения: 1 - индекс геокриологического региона; 2 - границы между геокриологическими регионами; 3 - границы криолитозоны азонального типа; 4 - месторождения золота: 1 - Средне-Сакуканское, 2 - Казаковское, 3 - Погромное*, 4 - Дельмачинское*, 5 - Талатуйское* и Теремкинское*, 6 - Дарасунское*, 7 - Воскресенское, 8 - Ернистое, 9 - Балджиканское, 10 - Любавинское, 11 - Илин-ское, 12 - Сыпчугурское, 13 - Шундуинское, 14 - Фатимовское, 15 - Среднеголготайское, 16 - Балейское и Тасеевское, 17 - Бугдаинское, 18 - Козловское, 19 - Карийское*, 20 - Алескандровское, 21 - Ключев-ское, 22 - Уконинское, 23 - Амазарканское*, 24 - Итакинское
Характеристика криолитозоны разных регионов Забайкалья
Типовые регионы Характер криолитозоны Площадь, % Мощность ММП, м Температура, °С
Криолитозона зонального типа
Плоскогорье южной окраины Сибирской платформы массивно-островная 25-75 50.250 0...-4
Горные сооружения альпийского типа прерывистая и сплошная >75 300.1000 -3...-10
Витимское плоскогорье и северная часть Олекминского Становика прерывистая 75...95 50.300 -1...-5
Среднегорье Центрального и Восточного Забайкалья прерывистая 75...95 50...300 -1...-4
массивно-островная 25.75 50...250 -1...-3
Низкогорье Центрального и Юго-Восточного Забайкалья островная 15...25 <50 0...-2
Низкогорье Юго-Восточного Забайкалья островная 5...25 <20 0...-1
Криолитозона азонального типа
Впадины Байкальского типа прерывистая 75...95 100...400 -1...-5
Впадины Байкальского типа и межгорные котловины массивно-островная 25...75 <200 0...-2
Аллювиальные равнины и степи редко-островное <5 5...20 0...-0,5
Впадины Монгольского и Забайкальского типов островная 5...25 10...40 0...-0,5
ММП на юге региона имеют ред-коостровное распространение, в центральной и юго-восточной частях - островное и прерывистое, а на севере -сплошное. Соответственно, и интенсивность трансформации инженерно-геологических и гидрогеологических условий зависит от того, в какой части криолитозоны Забайкалья находится месторождение (см. рисунок). На широтную зональность накладывается высотная поясность, которая также влияет на инженерно-геологические и гидрогеологические условия. В хребтах с ростом абсолютных высот в интервале 800-1000 м происходит повышение температуры воздуха с высотой в пределах так называемого «потолка инверсии» [2]. Выше 1000 м происходит понижение температуры воздуха и увеличение количества атмосферных осадков.
Результатом процессов деградации является развитие опасных экзогенных процессов, оказывающих отрицательное воздействие на горные выработки, основания сооружений, строительные свойства материалов насыпей, дамб и
других объектов горно-геологического назначения. Затраты на ликвидацию чрезвычайных ситуаций, связанных с затоплением наледными водами карьеров, подземных горных выработок, селитебных территорий, на защиту бортов карьеров от солифлюкции и оползней, объектов инфраструктуры и других инженерных и гражданских сооружений от негативного воздействия термокарста и других процессов составляют в Забайкальском крае десятки миллионов рублей в год.
Изменение геологической среды в криолитозоне на рудных месторождениях начинается на этапе работ общегеологического назначения, продолжается на этапах поиска, оценки и последующей разведки и освоения. Вначале из-за точечных (отдельные расчистки, шурфы, скважины), а затем и площадных (канавы, штольни, шахты, опытные карьеры) воздействий происходит постепенное изменение температурных полей криогенных массивов. В результате уменьшаются мощности, изменяются границы распространения
ММП, что приводит к трансформации инженерно-геологических и гидрогеологических условий.
По мере увеличения геологоразведочных работ техногенные воздействия на криолитозону все более концентрируются в контуре месторождения и отдельных рудных тел. Нарушение поч-венно-растительного слоя при проходке расчисток, рубке просек, прокладке дорог и приводит к активизации сезонного оттаивания, увеличению глубин сезон-ноталого слоя, формированию неслива-ющейся массы мерзлых пород, а в дальнейшем и к их оттаиванию.
На большинстве рудных месторождений Забайкалья сезонноталый слой представлен крупнообломочными элювиально-делювиальными отложениями на отдельных участках с гольцовыми льдами в его нижних частях, оттаивание которых в обычных условиях замедлено. Известно, что для оттаивания гольцового льда требуется значительно больше энергии, чем для его образования, соответственно, при удалении высокольдистых горизонтов при проходке канав, шурфов приток тепла в массив горных пород возрастает, приводя к резкому увеличению глубин сезонного оттаивания за счет непосредственного контакта многолетнемерзлых пород с атмосферой. Кроме этого, обнажение поверхности массива обеспечивает доступ атмосферных осадков и поверхностных вод, приносящих большое количество тепла, к поверхности мерзлых толщ. Интенсивность оттаивания составляет 1,5-2 м в год [3].
Чем больше выработок на единицу площади, тем более обнажены породы и тем интенсивнее происходит повышение температур пород. Количество горных выработок, их концентрация в пределах рудных массивов зависят от стадии производства геологоразведочных работ и принятой методики исследований.
Наличие незатампонированных скважин в криолитозоне обеспечивает конвекцию воздуха и поступление по-
верхностных или подземных вод (в случае вскрытия напорных водоносных горизонтов), что вызывает повышение температуры пород в контуре ствола. С момента начала эксплуатационной разведки рудных месторождений происходит переформирование геологической среды не только на участке рудных тел (карьеры, шахты, штольни), но и на других объектах горного производства (обогатительные фабрики, хвостохра-нилища и др.). Если от стадии разведки до начала освоения месторождения проходит значительный промежуток времени, то в северных районах в большинстве случаев восстанавливаются ранее существовавшие геокриологические условия. Скважины перемерзают с формированием ледяных пробок, что исключает конвективный теплообмен, в результате понижаются температуры и в горных выработках до исходных значений.
В Южном и Юго-Восточном Забайкалье, где температуры многолетне-мерзлых пород составляют минус 0,5-2оС, процесс деградации ММП, как правило, не заканчивается после завершения разведки месторождения, а от-тайка мерзлых пород продолжается до полной ликвидации многолетнемерзлых пород или достижения нового равновесного состояния с изменившимися условиями теплообмена. Если скважины полностью проходят мерзлую толщу, температура которой не ниже минус 1оС, с течением времени вокруг формируется трубообразный талик. В условиях глобальных изменений климата в контуре разведанных месторождений происходит полная деградация ММП, что было отмечено на Бугдаинском, Березовском и других месторождениях. На Бугдаинском месторождении на участках снятия почвенно-растительного слоя за 25 лет деградация ММП составила 20-40 м.
При эксплуатационной разведке оттаивание ММП и водопритоки в горные выработки уменьшают устойчивость бортов карьеров, увеличивают ко-
личество вывалов и обрушений в подземных горных выработках, по периметру которых вначале развивается зона разуплотнения мощностью 3-5 м. Особенно интенсивно процесс идет на участках восстающих горных выработок и при подаче теплого воздуха в горные выработки. Ю.Г. Саитовым отмечено, что на Уконинском золоторудном месторождении сквозной талик вначале сформировался вокруг ствола восстающей выработки (В-18) в штольне № 3, затем в процесс деградации была вовлечена и прилегающая часть массива [3].
Широкое распространение много-летнемерзлых пород, характеризующихся неустойчивым термодинамическим равновесием, в Центральном и Юго-Восточном Забайкалье приводит к тому, что любое нарушение существующего природного равновесия, обусловленное хозяйственным освоением территории, вызывает изменение инженерно-геологических условий. В первую очередь это связано с изменением состояния пород (мерзлое - талое), следствием которого является развитие инженерно-геологических процессов: термокарста, термоэрозии, солифлюкции, суффозии, оползней, аккумуляциии. На начальном этапе разработки месторождений это проявляется на локальных участках, а со временем приобретает региональный характер распространения.
Высокая трещиноватость массивов горных пород в мерзлом состоянии обуславливает большое количество вывалов и обвалов при их оттаивании в стенках горных выработок. Так, удельный объем вывалов на шахте Талатуй, по данным Ю.Г. Саитова, составил на 1 погонный метр проходки 0,58 м3 [3].
Технологические процессы добычи и обогащения различных типов руд невозможны без технического водоснабжения. Значительны потребности в воде хозяйственно-бытового назначения для объектов жизнеобеспечения населенных пунктов. В Забайкальском крае
водоотлив (шахтный) в настоящее время осуществляется на 18 объектах горно-рудной и угольной отраслей в объеме 114 тыс. м3/сут. и только 32-55 тыс. м3/сут. используется на производственные нужды [4]. Воды карьерного водоотлива могут использоваться для обеспечения различных технологических процессов, а после определенной подготовки - для хозяйственно-бытового водоснабжения, орошения земель и искусственного восполнения запасов подземных вод.
Экологический анализ проектов разработки месторождений свидетельствует, что в первые годы эксплуатации практически все они могут отрабатываться без предварительного осушения. На этом этапе для защиты объектов горных предприятий -карьеров, отвалов вскрышных пород, промышленных площадок - от атмосферных осадков и склоновых вод достаточно строительства нагорных и водосборных канав для приема и отведения вод в пруды-отстойники.
После достижения подошвами карьеров обводненной части месторождений (как правило, до подмерзлотных вод) баланс водоотведения существенно изменяется в связи с постепенным увеличением количества сбрасываемых карьерных сточных вод при осушении нижней части месторождений. В случае предварительного водопонижения эти воды практически без очистки могут использоваться в технических целях. Притоки воды в карьеры, как показывает опыт эксплуатации месторождений Забайкалья, возрастает до определенных глубин (ниже глубины зоны региональной трещиноватости - 100-200 м), а затем снижается по мере сработки статических запасов подземных вод и формирования депрессионной воронки.
В процессе работ по добыче руды карьерные воды загрязняются катионами металлов, поскольку при увеличении глубины карьера будет происходить возрастание концентрации растворенных солей марганца, же-
леза, сульфатов и снижение рН. Такая ситуация характерна, например, для рудника Дарасунский, где глубоко залегающие трещинно-жильные воды имеют повышенное содержание железа - до 240 ПДК, меди - до 1440 ПДК, цинка - до 160 ПДК, сульфатов - до 20 ПДК, мышьяка - до 30 ПДК. Сброс таких вод без дополнительной очистки недопустим.
Консервация месторождений и прекращение водопонижения при завершении добычи полезных ископаемых приводит к восстановлению уровней подземных вод, а в дальнейшем и к их росту, если участок, где деградиро-ваны многолетнемерзлые породы и ликвидированы криогенные водоупоры, ограничен по площади. Подземные воды глубоких горизонтов (трещинные, трещинно-пластовые, трещинно-
жильные) имеют напоры иногда выше поверхности земли.
Воды закрытых шахт и карьеров опасны в отношении загрязнения. Они содержат в опасных концентрациях токсичные металлы - медь, цинк, свинец, молибден, железо и др. - и загрязняют поверхностные и подземные воды территорий, например в г. Балей. Воды кислотные, высокоминерализованные, причем в затопленных шахтах и карьерах концентрация токсичных элементов со временем только возрастает, что представляет реальную опасность для загрязнения грунтовых вод.
Мерзлое состояние пород вскрыши существенно повышает стоимость извлекаемого полезного ископаемого, так как разработка проводится при обязательном применении буровзрывных работ, поэтому деградация ММП является положительным моментом, позволяющим снизить производственные издержки.
В нормативных инженерно-геологических документах по проектированию и строительству в Забайкалье используются сведения,
полученные в XX в., когда средние годовые температуры воздуха характеризовались более низкими значениями [2], поэтому предлагаемые мероприятия по предупреждению деградации криолитозоны при создании объектов инфраструктуры, жилья (каменные наброски, проветриваемые подполья и др.) оказываются, как правило, неэффективными.
При выборе принципа
использования многолетнемерзлых пород в качестве оснований сооружений с сохранением их состояния или с допущением их оттаивания
необходимо учитывать современные изменения в строении много-летнемерзлых толщ и возможность деградации и аградации ММП.
Вероятность повышения средних годовых температур воздуха остается достаточно высокой. Это будет способствовать (при определенных условиях) быстрому восстановлению криогенных водоупоров в Центральном и Восточном Забайкалье. Так, в районе г. Сковородино положение нулевой термоизоплеты изменилось по глубине от 2,8 м (1933 г.) до 1,6 м (1974 г.).
Для обеспечения экологической безопасности при разработке рудных месторождений в Забайкалье необходим постоянный мониторинг инженерно-геологических и гидрогеологических условий, позволяющий принимать своевременные управляющие решения, в том числе и после отработки месторождения до момента завершения рекультивации. Это возможно на основе создания автоматизированной постоянно действующей опорной сети наблюдательных пунктов, оборудованных измерительной аппаратурой. Реализация мероприятий по контролю загрязнений поверхностных и подземных вод позволит сохранить экосистемы Забайкальского края.
Библиографический список
1. Геологические исследования и горнопромышленный комплекс Забайкалья: история, современное состояние проблемы, перспективы развития / Г.А. Юргенсон [и др.]. Новосибирск: Наука, 1999. 574 с.
2. Романовский Н.Н. Основы криогенеза литосферы: учеб. пособие. М.: Изд-во МГУ, 1993. 336 с.
3. Саитов Ю.Г. Закономерности изменения геологических параметров золоторудных месторождений Восточного Забайкалья на разных этапах их освоения: автореф. дис. ... канд. геолог.-минералог. наук: 04.00.11. Чита, 1999. 24 с.
4. Шестернев Д.М. Инженерная геокриология: учеб. пособие. Чита: Изд-во ЧитГУ, 2010. 160 с.
Рецензент кандидат гео лого-минералогических наук, доцент Иркутского государственного технического университета М.А. Тугарина
