CC BY
45
бюллетень ГИС-Ассоциации. — 2000, №№ 4, 5. — с. 70. на модель устойчивого развития: проблемы и перспек-
10. Урсул А.Д., Лось В.А. Стратегия перехода России тивы. - М.: Луч, 1994. — 274 с.
— Коротко об авторах -------------------------------------------------------------------------
Лобанов Николай Яковлевич - профессор кафедры «Организации и управления» Санкт-Петербургского государственного горного института (технического университета) им. Г.В.Плеханова, доктор экономических наук, профессор.
Куклина Евгения Анатольевна - доцент кафедры «Организации и управления» Санкт-Петербургского государственного горного института (технического университета) им. Г.В.Плеханова, кандидат экономических наук, доцент.
-------------------------------------- © А.М. Ефимов, Е.А. Меньшенина,
О. П. Стеценко, 2004
УДК 622.232: 504.4.06
А.М. Ефимов, Е.А. Меньшенина, О.П. Стеценко
ЗАЩИТА ПРОДУКТИВНЫХ ВОДОНОСНЫХ ГОРИЗОНТОВ ОТ ВЛИЯНИЯ ШАХТНЫХ вод ЗАКРЫВАЕМЫХ ШАХТ НА ПРИМЕРЕ БЫСТРЯНСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ ПРЕСНЫХ ВОД
Семинар № 6
сследуемое Быстрянское месторождение пресных вод расположено в центральной части Ростовской области, в пределах Доно-Донецкой возвышенной равнины, в бассейне левого притока р. Северский Донец - р. Быстрой, приурочено к левобережной части ее равнины. Быстрянский водозабор состоит из двенадцати эксплуатационных скважин, из которых в работе находятся только две, остальные не эксплуатируются и нуждаются в ремонте. В непосредственной близости расположен и Ново-Павловский (дополнительный) водозабор подземных вод из палеоценового-нижне-среднеэоценового водоносного комплекса, который представляет собой линейный ряд из 10 скважин общей производительностью 3500 м3/сут, с расчетным сроком эксплуатации 10000 сут. К настоящему времени пробурены и обустроены 8 скважин из 10 проектных. В пери-
од с мая 1999 г. по ноябрь 2001 г. эти скважины имели дебит от 8 до 15 м3/ч. Суммарная производительность водозабора составила 70 м3/ч. В настоящее время они по экономическим причинам не эксплуатируются. В то же время, населением близлежащих хуторов испытывается дефицит питьевой воды. В непосредственной близости от Быстрянского месторождения пресных подземных вод, расположены населенные пункты с необходимым объемом водопотребле-ния около 600 м3/сут.
Для обоснования защиты водных ресурсов месторождения выполнены: 1). Анализ горногеологических условий на горном отводе ликвидированной шахты «Восточная», участках НовоПавловского и Быстрянского водозаборов, уточ-ненение взаимного расположения и распространения водоносных и водоизолирующих горизонтов. 2). Анализ существующих условий эксплуа-
тации подземных вод Быстрянского месторождения, соответствие их характеристик проектным. 3). Определение скорости подъема, уровня шахтных вод, объемов и места их выхода на поверхность при затоплении шахт "Шолоховская" и "Восточная". 4). Выполнение прогнозных расчетов вектора распространения шахтных вод в местах возможного выхода их на поверхность. 5). Расчеты изменения состава вод продуктивного водоносного горизонта при их смешивании с шахтными водами, взаимодействие депрессион-ных воронок водозаборов с зонами подтопления шахт. 6). Обоснование технических решений по защите пресных вод Быстрянского месторождения, обеспечивающих сохранение их качественных характеристик, возможность дальнейшей эксплуатации.
Воды палеоценовых и нижне-средне-эоценовых отложений эксплуатируемого водоносного комплекса связаны с тонко- и мелкозернистыми песками и песчаниками на глинистом цементе общей мощностью от 2 до 170 м. Комплекс характеризуется довольно высокой (св. 60 м2/сут.) водопроводимостью, невыдержанной мощностью водоносных пород, существенными перепадами по уровню залегания, мощными слоями плотных глинистых песчаников с низкими фильтрационными свойствами. Поэтому фактические депрессионные воронки и дебиты отдельных скважин существенно отличаются от расчетных значений. Перспективными для освоения запасов являются: соответствие характеристик качества подземных вод требованиям к водам питьевого назначения; высокая водообиль-ность эксплуатируемого горизонта наряду с минимальной глубиной залегания; его высокая защищенность от загрязнения; отсутствие в предполагаемой зоне санитарной охраны активных источников загрязнения.
Уровни подземных вод дочетвертичных отложений в районе хуторов Комиссаров, Гремучий оказались выше ожидаемых на 10-15 м; обнаружена полная сдренированность палеогеновых отложений вблизи хут. Михайлов непосредственно над выработанным пространством шахты "Та-цинская", напоры подземных вод каменноугольных отложений снижены, здесь наблюдается обильное выделение газа с повышенным содержанием метана, непосредственно связанное с затоплением шахт. Эти явления могут быть связаны с дренажным влиянием шахт «Тацинская», «Восточная». В то же время, влияние указанных шахт на уровни подземных вод палеогенового комплекса вблизи хут. Потапов, Маслов, Ново-
Павловка не ощущается. После завершения затопления шахт "Тацинская" и "Восточная" следует ожидать затягивания сформированной ими воронки депрессии с подъемом поверхности подземных вод до отметок естественного залегания и возможного ухудшения качества подземных вод.
Часть выработок шахты "Шолоховская" по пласту 13 подработана шахтой "Восточная" по пласту с мощностью междупластья 80-85 м, а мощность пласта - 1,4 - 2,3 м, имеется гидравлическая связь между горными выработками. В настоящее время при затоплении шахты "Восточная" до уровня -130 м из последней наблюдается перетекание воды в шахту "Шолоховская" до 200 м3/час.
Схема формирования водопритоков в шахту включает два основных элемента: водоприток в горные выработки верхних горизонтов на участках подработки поверхностным комплексом вблизи выходов угольных пластов, и водоприток перетекания в техногенный водоносный комплекс через перекрывающие его слабопроницаемые отложения по площади очистных работ. На начальных стадиях развития горных работ преобладает первая, постоянная составляющая; при ведении горных работ на глубинах более 200 - 250 м проявляется вторая составляющая, возрастающая при увеличении площади очистных работ.
Скорость затопления выработок шахты зависит от величины водопритока в затапливаемые выработки, емкостных характеристик техногенного комплекса и подработанной угленосной толщи, включающих гравитационную водоотдачу (пустотность) сдренированного при ведении горных работ техногенного водоносного комплекса, а также упругоемкость водонасыщенного массива. Обоснован опытным путем коэффициент пустотности массива кп = 0,2 и коэффициент его упругоемкости Р = 10"5 1/м, который при уточнении увеличен в 1,7 раза.
Положение уровня затопления ш. "Восточная" находится на абсолютной отметке -120 м, что подтверждается расчетом и сведениями мониторинга. При уровне затопления ш. "Шолоховская" до отметок -130 ми выше, будет происходить совместное затопление двух шахт. При откачивании воды на площади горного отвода ш. "Восточная" на отметке +74 м, уровень затопления ш. "Шолоховская" не более +95 м, и подтопление поверхности на горном отводе ш. "Шолоховская" отсутствует, т.к. отметки ее +120 м и более.
Расчетный срок затопления гидравлически связанных шахт "Шолоховская" и "Восточная"
составляет 3 года 6 месяцев. Объем шахтной воды, которая выйдет на поверхность, не превысит 200 м3/час. В процессе затопления обеих шахт необходимо в рамках экологического мониторинга производить регулярный контроль подъема уровня для коррекции прогнозных параметров.
На северном крыле Горняцкой синклинали высоко расположенные выработки шахты "Восточная" проецируются на верхнюю часть правого борта балки Обрывской с отметками от + 95 м на водоразделе между балками Красный Яр и 06-рывская до + 50 мв тальвеге балки Обрывская. На противоположном борту синклинали южная граница горных работ и выходы пластов 13 и под поверхностные отложения проецируются на поверхность в месте сопряжения балок Красный Яр и Журавка. В этом месте пойма покрыта толщей темно-бурых аллювиальных суглинистых и супесчаных отложений с многочисленными трещинами усыхания грунтов открытостью до 2 - 3 см. Расположен этот участок непосредственно над самой границей горных работ по пласту 13 до проекции выхода пласта под поверхностные отложения. Общая площадь сухого участка поймы составляет не менее 20 тыс. м2, а его границы находятся в пределах высотных отметок +75 м, в 200 м ниже этого участка пойма балки становится интенсивно замоченной и еще через 100+200 м -полностью заболоченной, с открытой водой и болотной растительностью. Именно на сухом участке поймы балки Журавка осуществляется наиболее интенсивная фильтрация воды в горные выработки на южном крыле синклинали затапливаемой ш. "Восточная". Это место наиболее вероятного выхода шахтной воды на поверхность после затопления ш. "Шолоховская" и "Восточная.
Оценка вероятного объема высачивания шахтных вод на поверхность в зависимости от фильтрационного расхода перетекания между выработанными пространствами затапливаемой и соседней с ней шахт производилась при минимальном, среднем и максимальном значении коэффициента фильтрации к0- 0,12; 0,32 и 0,51 м/сут. При минимальных значениях уровень затопления шахты "Восточная" поднимется выше отметки + 85 м. При ко = 0,32 м/сут и выше, вся поступающая в техногенный горизонт шахт "Шолоховская" и "Восточная" вода может фильтроваться через приповерхностные отложения и выходить на поверхность. При расходе выходящей воды 200 м3/час в водоносный горизонт может попадать до 80 м3/час загрязненной шахтной воды. Оставшийся объем выйдет на поверхность с перетоком в реку Быструю.
Сравнение результатов химических анализов проб воды шахты "Шолоховская" за 1999 и 2001 год показало увеличение минерализации воды с 3,5 г/л до 3,9 г/л, в первую очередь за счет увеличения содержания гидрокарбонатов - с 9,0 до 12,2 мг-экв/л, сульфатов - с 1391 мг/л до 1488 мг/л и иона натрия - с 873 до 974 мг/л; увеличение содержания взвешенных веществ - с 17 до 24 мг/л и железа с 0,42 до 1,28 мг/л. Эти изменения необъяснимы только непосредственным влиянием шахтных вод шахты "Восточная", отличавшейся невысокой минерализацией - 2,0-2,5 г/л и низким содержанием хлор-иона. В балансе водопритоков шахты преобладали воды зоны активного водообмена песчаных палеоцен-эоценовых отложений.
При прогнозировании качественного состава шахтной воды после затопления шахт "Шолоховская" и "Восточная" необходимо учесть следующее: выпуск шахтной воды на площади горного отвода шахты "Восточная" в балке Журавке приведет к загрязнению водоносного горизонта; во избежание этого, возможны два варианта откачивания воды: из вертикальных стволов шахты "Шолоховская" и из специально пробуренных на горном отводе шахты "Восточная" в балке Журавке скважин. В первом случае прогнозируемый состав откачиваемой шахтной воды: минерализация - 5,5 г/л, pH = 6,6, сульфатов - 3200 мг/л, взвешенных веществ - 80 мг/л, железа 180 мг/л, железа - 120 мг/л. Во втором случае: минерализация - 4,5 г/л, pH = 6,8, сульфатов - 2400 мг/л, взвешенных веществ - 80 мг/л, железа - 60 мг/л.
Проведенный расчет радиуса влияния ранее упомянутых двух взаимодействующих водозаборов на конец срока эксплуатации составляет 6800 м, и расположенная в 2,8 км западнее створа скважин Ново-Павловс-кого водозабора шахта "Восточная" оказывается в зоне их влияния. Целесообразно рассмотреть влияние шахтной воды на продуктивный водоносный горизонт в целом.
В случае выпуска вод шахт "Шолоховская" и "Восточная" на поверхность, с учетом расстояния до участка выкачивания (от 200 до 500 м), расчетного объема воды (до 80 м3/час) и направленности вектора потока шахтных вод к пойме реки Быстрая, - на площади хутора Карпово-
Обрывский произойдет полное замещение грунтового потока шахтными водами. Грунтовые воды будут иметь минерализацию до 4,5 г/л, кислую активную реакцию и содержание железа до 60 мг/л, станут непригодны как для всех видов водоснабжения. Вода высокого качества, как в хуторе Карпово-Обрывский, с низкой минерали-
зацией и минимальным содержанием железа, крайне редко встречается в Восточном Донбассе. Потеря этого источника водоснабжения невосполнима для района.
Ближайшие к восточной границе шахты "Восточная" скважины Ново-Павловского и Усть-Быстрянского водозаборов расположены в 2,8 и 4,8 км от нее, участки предполагаемого выхода воды на поверхность попадают в расчетный радиус депрессии от влияния водозаборов. В зону влияния Ново-Павловского водозабора будет попадать не менее 80 м3/час шахтной воды с минерализацией не менее 4,5 г/л и содержанием железа до 60 мг/л. Оставшийся объем (около 120 м3/час) будет высачиваться на поверхность в балках Обрывская и Журавка, перетекать в реку Быструю. На водораздельном склоне вектор грунтового потока направлен к реке Быстрой, а в пойменных отложениях -с севера на юг по течению реки. В этих условиях к водозабору будет подтягиваться только часть поступающей в грунтовый поток шахтной воды. С учетом большой ширины участка перетекания шахтной воды в палеогеновый горизонт и направления вектора естественного потока в противоположную от водозаборных скважин сторону, в зону их влияния попадет не более половины объема перетекающей в водоносный горизонт шахтной воды - до 960 м3/сут. При проектной производительности водозабора в этих условиях минерализация смешанной воды составит 2,32 г/л. При эксплуатации водозабора с производительностью 1680 м3/сут, минерализация смешанной воды составит 3,21 г/л.
С учетом вышеизложенного, целесообразно поддержание уровня затопления шахты "Восточная" на отметке +10 метров путем строительства водоотлива, оборудованного погружными насосами. Возможны два варианта размещения водоотлива: с оборудованием водоотлива из погружных насосов в одном из вертикальных стволов, расположенных на промплощадке шахты "Шолоховская", с использованием системы существующих прудов-отстойников без бурения водоотливных скважин; с размещением водоотлива в
балке Журавка с оборудованием погружными насосами специально пробуренных скважин.
В первом случае, при длительной остановке водоотлива для снижения влияния шахтных вод на водоносный горизонт палеогена, необходимо пробурить аварийные водовыпускные скважины. Возможно использование очистных сооружений шахты «Шолоховская» для очистки воды от взвешенных веществ и частично от соединений железа. Для более глубокой очистки необходимо построить очистные сооружения на промплощадке шахты, существующие пруды-отстойники применить для дополнительной очистки шахтных вод.
Во втором случае водоотливные скважины желательно пробурить на верхние горизонты горных работ в зоне активного водообмена, для откачки воды с низким содержанием вредных компонентов. Водоотлив целесообразно разместить в балке Журавке, в зоне предполагаемого высачивания шахтных вод в случае полного затопления шахты. Воду шахт "Шолоховская" и "Восточная" предлагается откачивать в балку Журавка, где можно использовать заболоченную часть балки для предварительной очистки шахтных вод или размещения здесь каскада мелководных прудов-отстойников. Участок поймы, заросший камышом и тростником, на расстоянии более 1 км. обеспечит очистку шахтной воды от взвешенных веществ и соединений железа. В районе слияния балки Журавка с балкой Коноплева возможно размещение очистных сооружений, что позволит сохранить зону отдыха и пополнять пруд очищенной водой.
Для контроля за гидрогеологической ситуацией в процессе затопления горных выработок и исследования гидрохимического режима в техногенном водоносном горизонте шахт "Шолоховская" и "Восточная", предлагается использовать имеющуюся техническую скважину диаметром 1 ми дополнительно пробурить 5 гидронаблюдательных скважин, с регулярным проведением откачек и отбор проб на исследование химического состава.
— Коротко об авторах -----------------------------------------------------------------------------
Ефимов Алдександр Михайлович - директор Северокавказского представительства ВНИМИ (СКП ВНИМИ), г. Шахты.
Стеценко Олег Павлович - гл. гидрогеолог Северокавказского представительства ВНИМИ (СКП ВНИМИ), г. Шахты;
Меньшенина Елена Александровна - доцент, кандидат технических наук, руководитель научной программы «Предотвращение катастрофических экологических последствий ликвидации угольных шахт Восточного Донбасса» Шахтинского института ЮРГТУ(НПИ).
