CC BY
78
---------------------------------------------- © С.О. Легостаев, 2011
УДК 504.06 (06)
С. О. Легостаев
РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСА ПРИРОДООХРАННЫХ МЕРОПРИЯТИЙ В ЗОНЕ ЛИКВИДИРОВАННЫХ ШАХТ ВОСТОЧНОГО ДОНБАССА
Рассматриваются возможные меры по обеспечению гидрогеологической безопасности на территориях городской застройки, подверженных процессам подтопления после прекращения работы горнодобыающих предприятий.
Ключевые слова: факторы техногенные, шахты ликвидированные, воды шахтные, подтопление.
До начала закрытия и ликвидации убыточных бесперспективных угледобывающих предприятий по Государственной программе реструктуризации угледобывающей отрасли в Шахтинском угольном районе функционировало четыре акционерных общества: ОАО «Ростовуголь», ОАО «Гуковуголь», АО «Шахта «Обуховская»», ОАО «Шахтуголь». Несмотря на отмечаемые существенные изменения природно-техногенной системы, сложившейся в зонах работы угольных шахт, она находилась в состоянии относительного экологического равновесия. Начавшаяся ликвидация в рамках вывода на безубыточный уровень работы большинства шахт Восточного Донбасса (на примере ОАО «Ростовуголь») в 1995 — 2004 годах вызвала новое кардинальное изменение окружающей среды.
По состоянию на 01.01.2002 г. ликвидационные работы в Восточном Донбассе велись на 42 шахтах, в том числе в ОАО «Ростовуголь» — на 17 шахтах, ОАО «Гуковуголь» — 9, ОАО «Шахтуголь» — 15, АО «Шахта «Обуховская»» — на одной.
Технические ликвидационные мероприятия и вызванные ими процессы природно-техногенного характера охватили весьма значительные территории в угледобывающем бассейне, в пределы которых входят города и шахтёрские посёлки. Проявляющиеся при этом негативные экологические последствия приобрели особую значимость, в частности:
• увеличение трещиноватости горных пород, и как следствие, снижение их прочностных характеристик, породный массив имеет межслоевые расслоения, зависания горных пород во фланговых частях горных выработок и крупные подземные пустоты в очистных выработках на малых глубинах;
• массив горных пород имеет значительное количество подготовительных и капитальных наклонных и вертикальных горных выработок, погашенных в разное время и с различной степенью удовлетворительности, причем в ряде случаев отсутствуют архивные данные о технологии их погашения;
• резко увеличилось количество аэро-гидравлических связей выработанного пространства с действующими горными предприятиями и земной поверхностью;
• изменилась гидродинамическая структура подземных вод, образовались локальные и общие депрессионные воронки;
• произошли значительные оседания подработанной толщи горных пород, величины которых различны по площади;
• промышленные и гражданские здания и сооружения в зависимости от срока службы оказались многократно подработаны, получили повреждения, несущие строительные конструкции получили напряженно-деформированное состояние;
Ликвидация угольных шахт путем полного затопления подземных горных выработок и выработанного пространства (так называемый «мокрый способ») привела к резкому и не всегда прогнозируемому подъёму уровня подземных вод. Обводнённость подземных горных выработок различных шахт варьируется в широком диапазоне и связана в основном с открытостью кайнозойских и каменноугольных отложений. Областями питания подземных вод являются многочисленные выходы на земную поверхность дислоцированных трещиноватых каменноугольных пород. Подземные воды разгружаются на более низких отметках, чем в области питания.
Водоносные горизонты верхнечетвертичных и современных аллювиальноделювиальных отложений распространены в долинах рек Грушевка, Аюта, Атюхта в пределах пойменной и двух надпойменных террас. В верховьях рек водовмещающие породы аллювия залегают непосредственно на породах карбона, при этом нижние горизонты аллювия часто вмещают крупно- и мелко обломочный материал, нередко дресвянощебенистой фракции из подстилающих пород. В среднем и нижнем течении рек Грушевка, Аюта, Атюхта и в низовьях
крупных балок аллювий подстилается породами неогена и палеогена. Суммарная мощность водоносного горизонта колеблется от 9 до 11 м при глубине их залегания от 1 до 12 метров. Водо-обильность этих горизонтов невысокая, минерализация варьируется от пресных в верховьях рек до солоноватых хло-ридно-натриевых в устьевой части. Питание горизонтов осуществляется как за счет инфильтрующихся атмосферных осадков и паводковых вод, так и за счет разгрузки вод каменноугольных отложений. Водоносный комплекс элювиальных отложений по крутым склонам долин рек и балок представлен палеогеновыми песками, известняками и песчаниками. Состав вод изменяется от гидрокарбонатных магниево-кальциевых до хлоридно- натриевых с минерализацией 0,32—4,0 г/л.
Подземные воды первого от поверхности водоносного горизонта, в частности, в долинах рек, практически не защищены от поступления загрязняющих веществ с поверхности.
В южной части территории Восточного Донбасса обводнённости горных выработок способствуют горные породы неогенового возраста, залегающие выше угленосных отложений.
Скорость подъёма уровней воды в выработках ликвидированных шахт различных угольных районов Восточного Донбасса колеблется от 0,15 до 12,5 м в месяц. Так, в Новошахтинском угольном районе с момента закрытия ряда шахт и по состоянию на 01.01.2002 г. суммарный подъём уровня воды в них составил 140—150 м. Этот процесс осложнил гидрогеологическую обстановку на действующих шахтах, так как привел к увеличению в них водопритоков. Например, в результате прекращения работы водоотливов на шахте «имени Красина» значительно увеличился приток шахт-
ной воды на действующих на тот момент времени шахтах «Южная» и «Аю-тинская».
Все подземные горные выработки шахт Шахтинского района расположены в пределах Грушевской части Несвета-евско — Шахтинской синклинали. Существовавшая в течение первой половины ХХ века система отработки угольных пластов в Шахтинском угольном регионе предусматривала наличие аэрогид-равлической связи и общих подземных горных выработок между соседними шахтами по причине отсутствия собственного водоотлива у большинства шахт. Затопление сети подземных горных выработок угольной шахты «Глубокая» («Артем-2»), начавшееся в 1997 году, расположенной под северной частью города Шахты и аккумулирующей воду из всех шахт Шахтинского угольного района оказало существенное влияние на рудничную атмосферу и водный баланс горных выработок всех ранее ликвидированных шахт привело к резкому увеличению водопритока в действующую на тот момент времени шахту «имени Октябрьской Революции», имеющую с шахтой «Глубокая» прямую гидравлическую связь на горизонте -220 м. и шахту «имени М.П. Чиха» («Ок-тябрьская-Южная») компании «Уголь-ЗУМК». [2]
В случае непринятия необходимых технических мер после отработки запасов на шахте «Октябрьская» и ее физической ликвидации, после полного затопления всех гидравлически связанных угольных шахт начался бы резкий подъем уровня подземных вод, с ориентировочной скоростью 0,6 м/сут. В дальнейшем подъем воды до уровня самоизлива на земную поверхность (отметка +46 м) создал угрозу подтоплению 100 га территории городской застройки, подъему уровня грунтовых вод практически на
всей территории города Шахты, активизации почвенно-эрозионных процессов, возникновению процесса засоления почвенного слоя.
Неоднократно рассматривался вопрос определения вероятных мест выхода шахтных вод при условии неконтролируемого выпуска после затопления горных выработок шахт «имени Октябрьской Революции» и «Глубокая». При этом рассматривались понижения рельефа в широком диапазоне высотных отметок от +40 до +90 м, что подразумевает создание значительной (до 40—50 м) величины гидравлического напора. В таких же широких пределах оценивается и величина возможного объема воды, выходящей после затопления выработок
— от 600 до 1200 м3/час. Наиболее вероятной величиной является 650 — 700 м3/час.
При условии выхода шахтных вод на земную поверхность в первую очередь будут подпотлены пойменные отложения и основание водораздельного склона реки Грушевка на участке примыкающих к руслу улиц: Твардовского, Набережная, Нагорная, Автомобильная; переулков: Межевой, Ярославский, Род-ничковый, Юфимцева с абсолютными отметками земной поверхности +46,0 — +51,0 м. Суммарная площадь участка предполагаемого выхода шахтной воды
на земную поверхность составляет 135
2
тыс. м .
Для предотвращения этих негативных техногенных последствий было принято решение о сооружении водоотливного комплекса на шахте «Г лубокая» на вспомогательном стволе (с подземным размещением насосной камеры), обеспечивающий откачку шахтных вод в объеме более 1600 м3/час с целью поддержания уровня затопления на проектных отметке —231—232 м, которое в настоящее время реализовано. [3] Па-
раллельно с вводом в эксплуатацию водоотливного комплекса шахты «Глубокая» предполагалось пробурить с поверхности несколько сосредоточенных водовыпускных скважин на поле шахты «имени Октябрьской Революции» с очисткой шахтных вод на очистных сооружениях. В течение десяти месяцев 2002 года водоприток по данным службы водоотливного комплекса шахты «Глубокая» изменялся в пределах от 1190 м3/час до 1503 м3/час, в декабре 2002 года он увеличился до 1800 м3/час, в данный момент времени он составляет 2100—2400 м3/час, что является следствем воздействия погодно
— сезонного фактора. В периоды паводков при одновременной работе только двух погружных насосов фактическое поступление воды в камеры-гасители значительно превышает проектное, что затрудняет работу насосных установок.
Подтопление пониженных или осевших под влиянием подземных горных работ участков рельефа земной поверхности в черте городской застройки наблюдается на многих земельных отводах ликвидированных угольных шахт, инструментальные замеры положения уровня затопления регулярно проводятся с августа 1998 г. Колебания уровня затопления не превышают 1 метр в обе стороны (повышение-понижение). Контроль уровня затопления проводится по фланговому вентиляционному стволу № 1 и шурфу № 21 бывшей шахты «имени Артема», находящихся на расстоянии 3,2 и 4,6 км соответственно от вспомогательного ствола шахты «Глубокая». Превышение уровней затопления по вентиляционному стволу № 1 и шурфу № 21 относительно уровня затопления вспомогательного ствола колеблется в пределах 0,5—0,6 м. Это связано с образованием депрессионной воронки и естественным уклоном.
Наиболее динамично процесс подтопления протекает на территории посёлков шахт «имени Октябрьской Революции», «имени Красина», «Ново — Азов-ка», наблюдается заболачивание местности. Скорость подъема грунтовых вод достигает 0,3—1,0 м/год. Появилась и сохраняется длительное время возможность подтопления при выходе на дневную поверхность агрессивными водами шахты «имени Красина», «Наклонная», «Мирная», поселка шахты «имени Фрунзе», территории хутора Красный и прируслового побережья реки Грушевки. На данном этапе выделяются 4 основных пояса подтопления территории городской застройки:
• 1-й пояс — площадь 17,1 км2. В него входит центральная часть города Шахты, включающая большинство объектов социально-бытовой инфраструктуры (городской парк культуры и отдыха, комплекс городской больницы, улицы: Шевченко, Советская, Ленина, Рабоче-Крестьянская, Садовая, проспект Красной Армии, Клименко и др.), поселки: Ново-Азовка (улицы: Цуканова, Смидовича, Промышленная, Куйбышева и др.), западная часть поселка ХБК;
• 2-й пояс — площадь 12,8 км2. Северо-восточная часть города Шахты (восточная часть бывшего Артемовского района г. Шахты). Поселки: Власовка, Дуваново, Горняк, Сидоровка, Первомайский. Рабочий, Подковный. Наблюдается выход шахтных вод на земную поверхность, заиливание русел балок: Шахтерская, Футбольная, реки Када-мовка, частичное затопление подвальных помещений жилых построек, промышленных объектов и коммуникаций, а также сельскохозяйственных угодий, расположенных в пониженных частях рельефа земной поверхности. Возможно загрязнение колодцев, вывод земель из хозяйственного использования, ухудше-
ние условий обитания диких животных, растений;
• 3-й пояс — площадь 10,3 км2. Объекты жилой застройки поселков Попов-ка, имени Г агарина, шахты «имени Красина», микрорайон «Новостройка». Наблюдается выход шахтных вод на поверхность, площадь участков заболачивания составляет около 1,5 км2;
• 4-й пояс — площадь 5,8 км2. Затоп-
ление подвальных помещений жилых построек поселков шахт: «Южная»,
«Нежданная» (улицы: Щербакова, Дачная, Ползунова, Шурфовая, Достоевского; переулки: Ольминского, Циолковского, Жуковского и др.). Наблюдается выход шахтных на земную поверхность в районе устья шурфа № 3 шахты «Южная» (вероятно, за счет водопритоков шахты «имени Красина»).
Суммарная площадь поясов подтопления с прилегающими потенциально опасными по подтоплению участками земной поверхности составляет 46,0 км2 (около трети от всей территории города Шахты). [1]
Методика прогноза подтопления участков земной поверхности основывается на анализе гидрогеологической ситуации, сложившейся на окончательном этапе эксплуатации горного предприятия. Изучаются и анализируются следующие данные:
• колебания уровня шахтных вод;
• изменчивость условий обводненности горных выработок под участками с минимальными отметками земной поверхности, где возможен выход шахтных вод;
• глубина залегания грунтовых вод по данным замеров при детальном гидрогеологическом обследовании шахтного поля;
• водность года и сезон, к которому приурочены замеры уровней вод для оценки масштабов подтопления
• сведения о расстояниях между выработками затапливаемой шахты и близлежащими водоемами.
Наиболее сложным вопросом в проектах ликвидации шахт и их реализации является соблюдение условий гидрогеологической безопасности работы соседних шахт и предотвращение процессов подтопления и заболачивания территорий земной поверхности.
По сложности решаемых гидрогеологических задач при затоплении выработок выделяются две категории шахт:
• одиночные, обособленно расположенные шахты;
• шахты, соседствующие с эксплуатируемыми шахтами.
Для первой категории шахт первостепенной является задача предотвращения подтопления (заболачивания) земной поверхности. Более сложное положение возникает для закрываемых шахт второй категории. В этом случае должно быть одновременно обеспечена безопасность работ в действующих шахтах и недопущение подтопления территорий.
Анализ гидрогеологческой ситуации указывает, что наличие аэрогидравличе-ских связей ликвидированной шахты с эксплуатируемой может потребовать ввода в эксплуатацию новых водоотливных комплексов как на ликвидированных, так и на эксплуатируемых шахтах. Ситуация осложняется тем, что в ряде случаев точность гидрогеологического прогноза снижается из-за отсутствия достоверных данных об объемах выработанного пространства, величине водопритока в выработки, сведения о гидравлических связях между шахтами, данные о горнотехнических показателях.
В зависимости от конечных результатов гидрогеологического прогноза в проектах ликвидации угольных шахт и проектах по инженерной защите участков земной поверхности от подтоп-
ления могут быть применены следующие инженерные решения:
• восстановление ликвидируемой шахты и перевод ее в режим водоотлива;
1. Чернобай И.И., Матушкин С.Д. Гидродинамика подземных вод в г. Шахты. Промышленная и экологическая безопасность: Сборник научных трудов / Донское отделение Международной академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности; Шахтинский институт ЮРГТУ, Ростов-на-Дону: Издательство НМЦ «Логос», 2003. — С. 65—71.
• строительство новых и расширение действующих водоотливных комплексов на смежных действующих шахтах;
• организация дренажа на подтопляемых территориях ликвидированных шахт, где имеется выход шахтных вод на земную поверхность.
-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
2. Зайденварг В.Е., Навитний А.М., Твердо-хлебов В.Ф. Гидрогеологические аспекты ликвидации шахт в России // Уголь. — 1999. — №12. — С. 28—30.
3. Навитний А.М., Петров А.Н., Твердохле-бов В.Ф. Опыт предотвращения негативных экологических последствий при ликвидации угольных шахт и разрезов // Уголь. — 2003. — № 3. —С. 15—16. ЕШ
Коротко об авторе
Легостаев С. О. — горный инженер, аспирант Шахтинского института Южно-Российского государственного технического университета, ассистент кафедры «Подземное, промышленное, гражданское строительство и строительные материалы», г. Шахты, Россия, е-таП: [email protected]
й
----------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
КУЗБАССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ЛАБУКИН Сергей Николаевич Исследование и разработка способа обнаружения ранней стадии самовозгорания угля в выработанном пространстве угольных шахт 05.26.03 к.т.н.
