«ТЕХНОГЕНЕЗ ЗАТОПЛЕННЫХ РУДНИКОВ УРАЛА ...»

Овчинникова в гидрогеологии» (Москва, 2005 г.), Internation symposium on «Latest natural disasters-new challenges for engineering geology, geotechnics and civic protection” (София, Болгария, 2005 г.), XVIII и XIX Совещаниях по подземным водам Сибири и дальнего Востока (Иркутск, 2006 г., Тюмень, 2009 г.), международный симпозиум «Будущее гидрогеологии: Современные тенденции и перспективы» (Санк-Петербург, 2007 г.), российская научная конференция «Гидрохимия осадочных бассейнов» (Томск, 2007 г.), 1-й Уральский международный экологический конгресс «Экологическая безопасность горнопромышленных регионов» (Екатеринбург, 2007 г.), международная научно-практическая конференция «Подземные воды – стратегический ресурс устойчивого развития Казахстана» (Алматы. 2008 г.), Всероссийская конференция с участием международных ученых «Геологическая эволюция взаимодействия воды с горными породами» (Томск, 2012 г.), международный конгресс «Water Rock Interaction [WRI 14]» (Авиньон, Франция, 2013 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 53 работы, основные из них следующие: 2 монографии, 17 статей (в т. ч. 15 – в рецензируемых научных журналах), 17 – докладов в материалах конференций.

Личный вклад автора. Диссертант лично разрабатывала общую методику работ, участвовала в полевых работах, обработке полученных материалов комплексом методов для оценки техногенеза пассивной стадии на горнорудных объектах Урала, формулировала научно-методические и защищаемые положения диссертации.

Благодарности. Автор выражает глубокую признательность своему научному консультанту, заслуженному деятелю науки РФ, доктору геолого-минералогических наук, профессору О.Н. Грязнову за постоянные консультации и помощь; искреннюю благодарность заведующему лабораторией института геохимии и аналитической химии РАН профессору Б.Н. Рыженко за тесное сотрудничество при выполнении термодинамических исследований, ведущему специалисту ФГУ «ТФИ по Свердловской области», кандидату геолого-минералогических наук В.П. Новикову за обсуждение результатов работ и ценные советы, директору ООО «ММПИ» И.А. Четверкину и кандидату геолого-минералогических наук А.И. Вишняку за предоставленные фактические данные и критические замечания, генеральному директору ОАО «Уральская гидрогеологическая экспедиция» А.А. Арзамасцеву за всестороннюю помощь при подготовке диссертации.

Автор выражает глубокую благодарность всем своим коллегам в Уральской гидрогеологической экспедиции, преподавателям кафедры гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии Уральского государственного горного университета за обсуждение результатов работ и поддержку. Особую признательность за постоянную поддержку и помощь автор выражает доктору геолого-минералогических наук В.А. Елохину.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ТЕХНОГЕНЕЗА

ЗАТОПЛЕННЫХ РУДНИКОВ УРАЛА

Любая техногенная нагрузка в результате инженерно - хозяйственной деятельности человека приводит к тем или иным изменениям в литосфере, нарушая природное динамическое равновесие [197]. Последнее проявляется в активизации природных и техногенных процессов, формировании техногенных геохимических ландшафтов и т.п.

[174, 226]. В целом, изменяются скорость и характер эволюционной динамики литосферы. Геогенез верхней части литосферы на таких территориях уступает место техногенезу [94].

Понятие «техногенез» было предложено А.Е. Ферсманом в 1934 г. для характеристики техногенных геохимических ландшафтов в условиях эксплуатации рудных месторождений, как совокупное проявление техногенных процессов рассеивания рудной минерализации на поверхности Земли [226]. С точки зрения А. Е. Ферсмана, «человечество такой же природный агент, как жар и холод, дробящие горные породы, как живые организмы, создающие особые химические соединения, минералы, горные породы».

Ферсман подчеркивает принципиальное термодинамическое различие между процессами живой и неживой природы. «В неживой природе преобладает рассеивание энергии, упрощение структур, стремление к равновесию, покою. А жизнь — это накопление энергии, усложнение, обновление, неустойчивость и ее постоянное сохранение, устремленность к новым рубежам, к освоению новых пространств, веществ, интервалов времени». В «… области жизни могучим … деятелем выступает человек», утверждает далее академик А.Е. Ферсман «…Тысячами способов аккумулирует человек запасы природных сил, вся деятельность его неустанно и упорно направлена на образование соединений с большим запасом энергии», что идет в разрез с эволюционной тенденцией земли к упрощению и рассеиванию энергии».

Воздействие техногенеза на подземные воды и окружающую среду в своей работе по истории природных вод в 1933 году описал академик В.И. Вернадский следующим образом: «…вся природа плейстоцена, вся биосфера меняется деятельностью человечества. …Начало процесса теряется в седой исторической древности Египта, Месопотамии, Средней Азии… В XIX и XX вв. кривая изменения небывало резко поднялась вверх, охватив всю биосферу. Этот процесс идет вглубь, меняет режим пластовых вод...

Тысячелетия идет изменение верховодок – вод грунтовых, позже началось изменение бурением и рудным делом вод пластовых напорных. Сейчас оно местами сказывается глубже двух километров от земной поверхности. На всей биосфере исчезают и изменяются старые виды поверхностных вод, пластовых вод, вод почв и источников. Создаются новые культурные воды» [24, с. 86-88].

Таким образом, истоки понятия «техногенеза» в размышлениях В.И. Вернадского и Ферсмана А.Е. исходят от горнорудной деятельности человека, преобразующее воздействие на литосферу которой более других изучено.

Последующее развитие «техногенез», как обобщающее научное понятие, получил в целом ряде работ. Например, в работах М.А. Глазовской (1988), в которых под техногенезом понимаются уже не только геохимические, но и геофизические процессы [44].

В максимально широкой трактовке, близкой автору, понятие «техногенез» рассмотрено в монографии Н.И. Плотникова как «совокупность литолого-фациальных, геохимических, гидрогеологических, биогидрогеохимических, инженерногеологических, геокриологических и других техногенных процессов, протекающих в той части литосферы, в которой интенсивно проявляется инженерная деятельность человека, приводящая к изменению состояния и свойств геологической и нередко окружающей среды в целом» [174, с. 106]. Техногенные процессы - это прямое следствие технических мероприятий и по своему содержанию, негативному влиянию на геологическую и окружающую среду чаще всего являются комплексными, как с позиции термодинамики, так и синергетики.

С позиции термодинамики техногенное воздействие на литосферу может носить эжекционный (изъятие) или инжекционный (закачка) характер, а в сложных техногенных условиях (в частности при горнорудном производстве), присутствуют одновременно в разных пропорциях оба вышеуказанных воздействия [174].

Комплексность техногенных процессов в литосфере, с точки зрения синергетики, определяется её многокомпонентностью, поэтому техногенное воздействие испытывают все компоненты, что проявляется во взаимосопряженном изменении гидрогеологических, инженерно-геологических и других условий и систем [68].

При этом геохимические процессы в техногенных ландшафтах есть прямое продолжение горных работ и техногенных процессов в литосфере, составляя в совокупности горнорудный тип техногенеза. Формируется особый ландшафт не только по геохимическим, но и географическим оценкам.

Выделение типов техногенеза выполнено Н.И. Плотниковым по совокупности техногенных процессов в прямой зависимости от сложности и формы воздействия инженерной деятельности (Таблица 1.1). Техногенез горнорудной промышленности, занимающий первую строчку в таблице, приобретает следующие особенности [174]:

- формирование на поверхности техногенного ландшафта, включая геохимическое и гидрогеохимические его аспекты, и, как следствие, загрязнения геологической среды, в том числе, почв, поверхностных и подземных вод;

- формирование техногенного поля напряжений в горном массиве, приводящих к развитию техногенной трещиноватости и деформации поверхности земли.

Известно, что процесс отработки месторождения, даже если он организован с учетом самых передовых технологий, дестабилизирует массив горных пород и вызывает активизацию экзогенных и, даже, эндогенных процессов [200];

Таблица 1.1 - Типизация техногенеза [174, с. 108] Тип Название типа Основная техногенная Особенности эволюционного I Горнорудной про- Интенсивное осушение Истощение естественных запамышленности водоносных горизонтов сов, формирование геохимичепри горных разработках, ского ландшафта, изменение II Гидромелиоратив- Интенсивное техноген- Площадное загрязнение подный ное, линейное и площад- земных вод, при отсутствии III Градопромышлен- Сложная система взаи- Формирование градопромышного комплекса модействия техногенных ленного ландшафта с тенденципроцессов с осушением ей загрязнения окружающей IV Гидротехнического Интенсивное техноген- Подтопление прилегающих теркомплекса ное питание подземных риторий, искусственное восвод при эксплуатации полнение запасов подземных Техногенная нагрузка на Формирование вызванных (техестественное поле на- ногенных) землятрясений - формирование в водоносном горизонте локального или регионального техногенного гидродинамического режима, приводящего к дренированию влаги на - проникновение техногенных процессов на значительную глубину, в пределах которой подземные воды обладают высокой окислительной способностью, способностью выщелачивания, растворения и интенсивным тепломассообменом, направленным из недр на поверхность земли;

- значительным истощением естественных запасов подземных вод, переформированием структуры подземного потока в плане и разрезе, баланса общего и Опыт эксплуатации рудных месторождений, проанализированный Н.И. Плотниковым, подтверждает, что в общей оценке техногенного преобразования существенную роль играют структура и свойства геологической среды [174, с. 112]. Отсюда следует, что в различных геологических условиях (структурах) техногенез, имеет свои особенности, в том числе, и на территории Уральского складчатого пояса.

Из пяти предложенных моделей геологической среды, на территории рудных месторождений Урала имеют развитие две:

- интрузивные породы с региональной трещиноватостью и зонами тектонических нарушений, в которых распространены безнапорные трещинно-грунтовые и напорные трещинно-жильные, преимущественно слабоминерализованные подземные воды (Пышминский, Березовский рудники и др.);

- карбонатные горные породы с региональной трещиноватостью и закарстованностью, содержащие трещинно-карстовые, преимущественно пресные воды (например, СУБР, ЮУБР и др.).

Однако в пределах уральских объектов, помимо указанных моделей в чистом виде, встречается ещё их комбинация, когда вблизи рудного тела (например, в зоне тектонического контакта) залегают слои карбонатных (карстующихся) пород (например, на Гумешевском руднике).

Классификационным признаком при выделении типов техногенеза являются комплексы техногенных процессов, посредством которых проявляются вышеуказанные особенности. Применительно к техногенезу горнорудного профиля Н.И. Плотников рассматривается комплекс из 11 видов техногенных процессов (Таблица 1.2).

Таблица 1.2 - Комплекс техногенных процессов техногенеза горнодобывающего профиля (согласно [174, с. 57] с уточнениями автора*) Техногенный процесс Формы техногенного изменения свойств окружающей среды Примеры на территории Урала* Осушение водоносных пород Истощение естественных запасов подземных вод. Практически все горнорудные надрудной и водовмещающей Коренное нарушение взаимосвязи поверхностных и подземных вод. объекты: СУБР, Дегтярский, Вторичная консолидация рых- Деформация поверхности и, как следствие, деформация подземных Возможны на буроугольных Депрессионное уплотнение пес- Деформация поверхности и, как следствие, деформация шахтных На Урале не известно чано-глинистых пород при сни- стволов и околошахтных горных выработок жении пластового давления Продолжение таблицы 1. Сдвижение в массиве горных Значительная деформация поверхности, подземных коммуникаций и Практически все горнорудные Суффозионные и суффозионно- Образование на поверхности провальных воронок. СУБР, Высокогорское, Алапаевкарстовые процессы, форми- Деформация поверхностных и подземных сооружений в зоне влияния ское и Зыряновское железорудрующиеся при осушении водо- провальных воронок ные месторождения носных карбонатных пород Внезапный прорыв рудничных Деформация и затопление горных выработок, нарушение общего Практически все горнорудные нием остаточного гидростатического напора Продолжение таблицы 1. крытой разработке месторожде- Нарушение общего ритма горных работ ГОК «Ванадий» (Гусевогорское Окисление рудной минерализа- Ухудшение качества рудничных вод, их химическое загрязнение, Все медно-колчеданные местоции и органических веществ в возможно формирование агрессивных кислых вод. рождения Урала [Емлин, 1991] осушенных породах техногенной Вторичное минералообразование (семиводные минералы типа меланзоны аэрации терита) и их накопление в трещинах техногенной зоны аэрации* Взаимодействие осушительных Снижение общей производительности водозабора, требующее неред- Пышминско-Ключевской и Беустройств и водозаборных со- ко строительства нового каптажного сооружения. резовский рудники, Липовский оружений предприятия Ухудшение качества воды на водозаборе при остановке рудника и никелевый рудник Пучение глинистых пород в под- Деформация горных выработок, требующая специального крепления Данные отсутствуют земных горных выработках землетрясения* при освоении месторождений в сложных геолого-структурных условиях Подробно каждый из перечисленных выше техногенных процессов рассмотрены в целом ряде работ, посвященных проблеме влияния горнодобывающей деятельности на геоэкологические, гидрогеологические и инженерно-геологические условия прилегающих территорий [1, 2, 3, 4, 11, 15, 27, 37, 40, 45, 46, 55, 73, 83, 84, 93, 95, 97, 110, 113, 115, 128, 130, 141, 142, 145, 146, 152, 161, 191, 207, 208, 221, 223, 245, 265, 266, 272, 279, 281, 282]. Важное значение имеют вопросы экологического нормирования техногенного воздействия [227].

Ведущую роль в исследовании геохимических аспектов проблемы принадлежит работам М.А.Глазовской, Ю.Е. Саета, С.С. Смирнова и др., гидрогеологических и гидрогеоэкологических – В.М. Гольдберга, В.П. Зверева, В. А. Мироненко, Г.Н. Кашковского, Ю.А. Норватова, Е.В. Пиннекера, Б.И. Писарского, Н.И. Плотникова и др., инженерно-геологических - Г.А. Голодковской, В.И. Осипова В.Е., Трофимова и др. На Урале указанной тематике посвящены работы И.В. Абатуровой, Р.Ф. Абдрахманова, Л.И.

Афанасиади, Г.Н. Беляева, С.М. Блинова, С.Н. Волкова, А.И. Вишняка, Г.А. Вострокнутова, А.Я. Гаева, Н.С. Глазыриной, О.Н. Грязнова, О.М. Гуман, С.Г. Дубейковского, С.Н. Елохиной, Э.Ф. Емлина, А.И. Заболоцкого, О.В. Зотеева, К.К. Имайкина, Р.Ф.

Крушатина, А.Б. Макарова, Ю.В. Михайлова, В.П. Новикова, С.В. Палкина, В.Г. Попова, С.С. Потапова, И.И. Плотникова, Ю.С. Рыбакова, Л.С. Рыбниковой, А.И. Семячков, А.П. Сирмана, О.В. Славиковского, Н.С. Шабалиной, В.А. Чеснокова, Л.С. Табаксблата и др.

Анализ таблицы 1.2 свидетельствует, что максимальные по площади изменения свойств литосферы и окружающей природной среды связаны с дренажными мероприятиями по осушению горных выработок (комплекс процессов № 1). В динамике процесса осушения выделяются две фазы:

- в первую фазу горные работы расположены выше местного базиса эрозии; источниками обводнения горных выработок являются естественные ресурсы и запасы подземных вод; на фоне естественного потока подземных вод под влиянием шахтного водоотлива формируется локальный техногенный фильтрационный поток, контуры которого вызывают ограниченное осушение компонентов ОС;

- во вторую фазу осушения снижение уровня подземных вод достигает значительных глубин; в балансовую структуру источников обводнения привлекаются поверхностные воды прилегающих рек, родниковый сток, грунтовые воды аллювиальных отложений; происходит отрыв депрессионной воронки от речных долин и её региональное развитие.

Обратной стороной осушения является формирование огромных объемов дренажных вод, имеющих обычно аномальный химический состав, что ограничивает их использование в хозяйственных и технических целях. В результате производится сброс дренажных вод в поверхностные водные системы, который загрязняет их. Иногда процесс смешения рудничных и речных вод прослеживается визуально на космоснимках на многие километры. Имеется большой объем фактических данных и многочисленные исследования по составу рудничных вод и их влиянию на речной сток на Урале [3, 28, 30, 55, 83, 94, 113, 130, 145, 209, 231, 254, 258, 272, 279].

Снижение уровня подземных вод на больших площадях, кроме того, приводит к осушению почвенно-растительного слоя, ухудшению питания растительных сообществ, снижению бонитета лесных насаждений, осушению болот, занимающих важное место в биогеоцинозах [46, 100, 174]. Химический состав растений на промышленных отвалах железорудных, никелевых, медных, угольных и др. месторождений Урала отличается повышенным накоплением кобальта, никеля, хрома, ванадия, меди, молибдена, свинца, титана [139] Опасной является техногенная активизация суффозионно-карстовых процессов, которые могут развиваться в краевых частях депрессионных воронок рудничного водоотлива за пределами горного и земельного отвода горнодобывающих предприятий, что затрудняет их прогноз и контроль. Обычно процессы техногенного карста и суффозии происходят на пойменных участках речных долин (СУБР и др.).

В пределах горных отводов при определенных системах подземной разработки (с обрушением кровли) формируются мощные зоны обрушений и провалы (являющиеся следствием нарушения сплошности массива горных пород и других особенностей горнотехнических мероприятий), как, например, над подземными выработками шахты Северо-Песчанская Богословского рудоуправления или шахты Магнетитовой Высокогорского управления (Рисунок 1.1), достигающие глубины 40 и более метров.

Внезапный прорыв рудничных вод встречался при работе многих уральских рудников. Особенно водообильными являются СУБР, ЮУБР, Полуночные марганцовые рудники, Гумешевский, Дегтярский и др. объекты, в геологическом строении которых участвуют карстующиеся горные породы (известняки и доломиты). Опасными являются прорывы поверхностных вод при развитии депрессионных воронок по площади (СУБР, Покровское и Зыряновское железорудные месторождения, Березовский рудник и др.). С увеличение глубины отработки объем водопритоков обычно стабилизируется [42, 81, 262, 263, 264].

Рисунок 1.1 - Провалы на Высокогорском железорудном месторождении Оползневые процессы на бортах карьеров и провалов в пределах Уральских складчатых структур обычно формируют мелкие тела, которые устраняются их укреплением (Рисунок 1.2).

Техногенный процесс окисления рудной минерализации наибольшую активность приобретает на колчеданных месторождениях и, в первую очередь, в пределах породных отвалов, механизм которого достаточно хорошо изучен [12, 62, 94, 129, 171, 225].

Как отмечалось выше при описании старых Сернистых рудников в Самарской области и рудников на побережье Белого моря, в пределах техногенной зоны аэрации происходит не только окисление и вынос минеральных образований, но и накопление вторичных минералов. На Урале описание вторичных минералов на разрабатываемых медно-колчеданных месторождениях выполнено Е.В. Белогуб, Е.П. Щербаковой, Н.К. Никандровой, а на угольных - В.А. Чесноковым (горелые отвалы), С.С. Потаповым и др.

Рисунок 1.2 - Формирование оползня в бортах Южного разреза Ещё одним опасным техногенным процессом горнорудного техногенеза являются горные удары. «Чемпионом» по этому показателю признаны Северо-Уральские бокситовые рудники, где наблюдены техногенные месторождения интенсивностью до 3 баллов [270].

Уральской гидрогеологической экспедицией и Уральским государственным горным университетом с средины 20-го века и по настоящее время, в том числе, в течение последних 30 лет при непосредственном участии автора, неоднократно выполнялись работы по обследованию и изучению геоэкологических, гидрогеологических, инженерногеологических и горно-технических условий эксплуатируемых месторождений твердых полезных ископаемых в пределах Свердловской, Челябинской, Пермской областей [1, 55, 254, 256, 258, 260, 265, 266, 270, 272, 281, 282], работы ПГО «Центргеология» [279] и др. Результаты многолетних работ и личные наблюдения автора, частично изложенные далее в настоящей работе, позволяют утверждать, что для рудников на территории Уральского складчатого пояса практически не встречаются (встречаются редко, в основном, при разработке угольных месторождений) следующие техногенные процессы:

- вторичная консолидация рыхлых пород;

- депрессионное уплотнение осушенных песчано-глинистых пород при снижении пластового давления.

Кроме того, ещё один вид техногенных процессов - взаимодействие дренажных и водозаборных систем, на Урале не характерен в силу сложившейся исторической практики. Разработка большинства рудников была начата в условиях преимущественного использования поверхностных вод для питьевого водоснабжения, поиски подземных источников водоснабжения происходили на фоне уже созданной депрессионной воронки рудничного водоотлива с учетом её присутствия. В качестве таковых нередко принимались (или создавались) дренажные узлы скважин, как это реализовано на СУБРе для водоснабжения г. Североуральска или в г. Карпинске, г. Реж и др. [164, 254, 270].

Разумеется, огромные площади, которые осушаются дренажными системами, создают проблемы для организации питьевого водоснабжения (например, в г. Березовский), главным образом, удалением водозабора от потребителя в смежные речные бассейны. Однако ограниченные размеры местных бассейнов подземного стока на Урале позволяют решать проблему питьевого водоснабжения с экономической точки зрения в допустимых пределах.

1.2. Изученность техногенеза постэксплуатационной стадии Согласно [174], после остановки горнорудного предприятия продолжение техногенеза не предполагается, поскольку прекращаются технические мероприятия и связанные с ними техногенные процессы. Однако эмпирические данные о состоянии территории закрытых и остановленных рудников и шахт в различных регионах мира, России и Урала, показывают, что опасные геологические процессы в литосфере продолжаются и на постэксплуатационной стадии, иногда даже в большем объеме.

Известна позиция Э.Ф. Емлина, в которой постэксплуатационный период (после остановки горнодобывающего предприятия) соотносится с особым видом техногенеза (Таблица 1.3). При этом выделяется три основных стадии освоения месторождений [94].

Таблица 1.3 - Соотношение стадий техногенеза и освоения месторождений (по [94] с уточнениями и добавлениями автора*) 1. Предтехногенная (стадия развития геосистемы) 1. Разведка месторождения 2. Прогрессивная стадия* техногенеза. 2. Строительство и эксХарактеризуется возрастанием внутренней энергии геосис- плуатация горнодобываютемы. Ведущую роль играют управляемые процессы механи- щего предприятия ческого разрушения, переноса и дифференциации минерального вещества, увеличение удельной поверхности метастабильных фаз, увеличение зоны аэрации, скорости водообмена, формирование и накопление тонкодисперсных продуктов механического разрушения, возрастание роли самопроизвольных геодинамических процессов, активизация гидрогеохимической миграции и процессов минералообразования, повышение температуры массива за счет процессов окисления 3. Регрессивная стадия* техногенеза. 3. Постэксплуатационная:

После прекращения управления технической системой (по- консервация или ликвидасле завершения эксплуатации) самопроизвольные геодина- ция горнодобывающего мические процессы используют энергию, накопленную в предприятия, рекультивапредыдущий прогрессивный период. Происходит активиза- ция.

ция геодинамических процессов, формирование природнотехногенной гидрогеологической системы* *в редакции автора Первая, предтехногенная стадия, на которой любые техногенные нарушения носят обратимый характер.

На второй стадии при вскрытии и освоении месторождения подземным или открытым способом дренажные мероприятия создают техногенную зону аэрации. В её границах нарушается не только гидродинамическое, гео- и гидрохимическое равновесия, а перемещение массы горных пород нарушает геодинамическое состояние массива, геофизические поля (гравитационные, тепловые, геомагнитные и пр.). Основным фактором формирования нестабильности является техногенный, и это квалифицируется как прогрессивная стадия техногенеза.

На третьей, посэксплуатационной стадии, в работе Э.Ф. Емлина выделяется регрессия нарушенных условий, то есть расходование накопленной человеком при отработке месторождения энергии. Накопленные напряжения разгружаются через геодинамические и гидрохимические процессы, геосистема стремится вернуться в исходное состояние, составляя регрессивную стадию техногенеза.

В принципе автор солидарен с подобной оценкой роли техногенеза на постэксплуатационной стадии, но с некоторыми поправками: полная регрессия геосистемы в исходное состояние в принципе невозможна в силу её необратимой нарушенности.

На таких участках литосферы, как будет показано ниже, уже другие гидродинамические, гидрогеохимические, инженерно-геологические и прочие условия, и, конечно, другие ландшафты.

Геоэкологические и гидрогеологические последствия затопления шахт и рудников привлекли к себе особое внимание в России и, в том числе, на Урале в конце XX-го века в период массовой ликвидации и закрытия горных предприятий, в большей степени в угольной отрасли. В историческом разрезе затопление и ликвидация рудников, как уже отмечалось, не является новым мероприятием, поскольку происходила многократно на всех континентах. По данным «Горной энциклопедии…» в Европе, Азии, Африке и Америке имеются десятки примеров отработанных, остановленных и затопленных рудников [47-51]. Глубина их воздействия достигает 1-3 км, а суммарная площадь нарушенных горнотехнической деятельностью земель составляет более 15-20 млн. га, из которых 59 % - это различные горные выработки, 38 % - отвалы, 3 % – места оседания, провалы и другие нарушенные земли.

На Урале традиционно преобладает комбинированный способ отработки рудных месторождений с высокой долей подземных выемок [201, 202].

Подземные горные выработки отработанных месторождений, относятся к разряду подземных пространств, повторная эксплуатация которых может быть экономически выгодна. Согласно классификации подземных пространств В.Н. Дублянского и В.Н.

Андрейчука [61] подземные горные выработки относятся к группе - искусственные, классу – антропогенные, подклассу - механогенные. По данным этих же авторов количество полостей такого рода составляет n105, что является, наряду с карстогенными полостями (пещерами), самым распространенным типом подземных пространств на земном шаре. Горная энциклопедия оценивает общую протяженность подземных выработок горнодобывающего производства свыше 500 тыс. км.

При таком масштабе техногенной нарушенности изученность геоэкологических последствий постэксплуатационной стадии в сравнении с периодом эксплуатации весьма незначительна. По-мнению автора, это связано с тем, что при осуществлении добычной деятельности получается доход и социальные блага, создающие в ней заинтересованность, с одной стороны, с другой - воздействие на литосферу и окружающую среду огромно, прогрессивно (по Емлину, 1991), экологические, материальные и прочие риски очевидны.

Прекращение отработки месторождения по тем или иным причинам означает перевод рентабельного горного объекта в нерентабельное состояние на очень длительное время. Экономический интерес к объекту теряется и среди защитных мероприятий преобладает рефлекторный «уход» антропогенной активности с нарушенной горными работами территории, обычно малопригодной или непригодной для постоянного проживания.

Такой подход оправдывал себя до тех пор, пока урбанизация освоенных территорий не потребовала для «ухода» с подработанных территорий слишком высокую цену. В зонах подработки в результате урбанизации оказались города, поселки и другие объекты (питьевые водозаборы, водохранилища и др.), тысячи человек в Кузбассе, Донбассе, на Урале, Дальнем Востоке и т.д., переселить которые затруднительно или не представляется возможным. Поэтому при закрытии рудника (шахты) приходилось срочно бороться с последствиями затопления, обзор которых на некоторых конкретных объектах приведен ниже.

Наиболее известной является история закрытия в Великобритании 60 угольных шахт, что вызвало бурные протесты профсоюзов. Шахты закрывались в течение 10 лет путем контролируемого затопления, провоцируя ряд попутно решаемых экологических проблем, если верить источнику [169]. Важно, что при этом гидродинамическое взаимодействие шахт отсутствовало, они не сопряжены с селитебными зонами, а взамен были построены современные крупные шахты. После этого каких-либо значимых экологических или социальных проблем в открытых информационных источниках не описано.

Необходимо отметить опыт польских коллег [249-251], которые длительное время проводили специальные исследования на полноценной наблюдательной сети в старом меднорудном районе на юго-западе Польши (бассейн Grodziec), где процесс затопления отработанных медных шахт угрожал питьевому водоснабжению населения. Система контроля за состоянием подземных вод включала несколько сотен наблюдательных постов (скважины, колодцы и старые шахты глубиной до 800 м), в которых проводились гидродинамические, гидрохимические и изотопные исследования подземных горизонтов.

Напомним, что меднорудные месторождения здесь отрабатывались в течение полувека до глубины 830 м. Площадь депрессионной воронки достигала 55 км2 и захватывала все водоносные горизонты, имеющие значение для питьевого водоснабжения. С 1951 по 1999 год рудничным водоотливом откачивалось до 2,5 тыс. м3/час подземной воды, хотя в 1989 г. добыча медной руды была завершена закрытием последнего рудника «Конрад», а использование извлеченной воды не превышало 10 %.

Затопление рудника (шахт) остановкой водоотлива началось только в 2001 г. после сооружения двух водозаборных скважин глубиной 830 м. Через год было зафиксировано повышение минерализации, сульфатов, железа, марганца, жесткости воды в подземных выработках (Таблица 1.4).

Вместе с этим в регионе возникли и другие проблемы, связанные с изменением химического состава подземных вод и речного стока:

• изменились эксплуатационные запасы подземных вод;

• возникли трудности с водоснабжением жителей;

• требуются мероприятия по охране запасов среднецехштейнского горизонта как главного резервуара пресных подземных вод.

По результатам гидрогеологического мониторинга ухудшение качества шахтных вод на первом этапе затопления объяснялось растворением продуктов выветривания сульфидных минералов (гидросульфатов), накопленных в осушенной горными работами части месторождения.

Таблица 1.4 - Изменение химического состава шахтных вод медного рудника при его затоплении [249] Показатель Ед. измере- Стадия отработки Стадия затопления Ежедневное восстановление водного уровня фиксировалось со скоростью 2- м/сут. в начале затопления. Затем подъем уровня замедлился ниже прогнозного до скорости 0,02-0,03 м/сут. Давление в водоносном слое стабилизировалось приблизительно на 50-60 м ниже, чем начальные условия.

Самыми интересными, по мнению автора, являются изотопные исследования, которые проводились на территории Гродзеского бассейна с 1991 г. на 12 участках. Исследовались изотопы кислорода, дейтерий и тритий.

В 2005 исследование изотопического состава было расширено, что позволили продемонстрировать перестройку балансовых составляющих подземного стока после остановки рудника. На стадии отработки концентрация трития закономерно и однородно уменьшилась с глубиной до 0,5 тритиевых единиц (на глубине 830 м).

Спустя четыре года после того, как дренаж был остановлен (в 2005 году), эта закономерность значительно изменилась. Низкая концентрация трития была установлена только в скважине на глубине 845 м, а на других участках (шахты KI, KII) концентрация трития изменялась от 9 до 13,3 тритиевых единиц, что указывает на интенсивное перемешивание вод различного генезиса (возраста) в пространстве затопленных шахтных полей и глубоком проникновении инфильтрогенных вод. В результате было установлено с высокой вероятностью, что время «перебалансировки» гидродинамических условий в водоносных техногенных слоях после прекращения водоотлива будет превышать прогнозный 8-летний период.

Кроме гидрогеологических аспектов стадии затопления Гродзенских рудников, были зафиксированы и изучались и другие проявления горнорудного техногенеза: провалы, подземная водная эрозия и др.

Эколого-геологические последствия массового затопления угольных шахт в Восточном Донбассе всесторонне проанализированы в работе [242]. К наиболее опасным процессам отнесены перетоки между затопленными и действующими шахтами, что приводило к переформированию газовой зональности по метану и углекислоте, обескислороженного («мертвого») воздуха. Затопление шахт сопровождалось вытеснением подземного воздуха (в том числе, и радона) из горных выработок, трещин в массиве горных пород к поверхности земли в заглубленные инженерные сооружения, отслеженное на протяжении от 3 до 15 и более лет.

В работе зафиксированы факты выхода шахтных вод на поверхность земли, определяющие развитие подтопления и заболачивания, признанные самыми масштабными негативные процессами. Отмечено ухудшение качества шахтных вод после затопления.

Например, в шахте «Комиссаровская» общая минерализация увеличилась с 8 до 18 г/л с концентрацией сульфатов до 8,8 г/л, железа – 170 мг/л. Изливающие воды содержат целый ряд токсичных веществ (медь, кобальт, кадмий, стронций и хром).

Опасными признаны и геодинамические процессы, представленные оседанием поверхности земли на 1-2 м, образование провалов и провальных зон на поверхности земли глубиной до нескольких метров и диаметром в десятки метров. В г. Донецке объем выработанного пространства, сейчас заполненный водой, составляет около 300 млн.

м3, что провоцирует техногенную сейсмичность. Уже было зарегистрировано более техногенных землетрясений.

Немалое значение для общей картины техногенеза постэксплуатационной стадии имеют техногенные ландшафты, элементами которых являются нерекультивированные породные отвалы, зоны оседания, заболачивания, угнетения растительности, нагромождение разрушенных и неразобранных инженерных сооружений и т.п. В г. Шахты находятся 40 отвалов, занимающих 183 га земли. Некоторые отвалы горят, выбрасывая в атмосферу до 170 т/год различных газообразных и твердых веществ. Фильтрующиеся через отвалы дождевые и талые воды содержат токсичные вещества, превышающие ПДК (иногда в десятки раз), загрязняя поверхностные и подземные воды.

Сверхфоновое содержание токсичных элементов обнаружено в почвенном покрове Восточного Донбасса, в том числе, меди, свинца, никеля, цинка, хрома, стронция, ванадия, кобальта, марганца, молибдена, титана, галлия, олова, скандия, бериллия и др.

Наиболее высокие их содержания на площадках действующих и закрываемых шахт («Гундоровская», «Изваринская» и др.). Разумеется, после закрытия шахт рекультивация почвенного покрова практически не выполняется.

Известно, что в 1917 г. в Донбассе работало около 1600 шахт, ведущих добычу угля в интервале глубин от 50 до 200 м. В период восстановления шахт после 1945 года было заложено ещё более 600 мелких шахт [150]. До 50-х годов для крепления всех подготовительных выработок применялась древесина с относительно недолгим сроком службы, поэтому все очистные выработки на глубинах до 80-100 м независимо от времени проведения представляют опасность для зданий и сооружений, расположенных на земной поверхности, тем более, что используемый в отечественной маркшейдерской практике метод расчета вероятных и ожидаемых сдвижений и деформаций земной поверхности под влиянием подземных горных разработок дает достоверные результаты лишь в интервалах глубин от 150 до 700 м.

По информации А.М. Ефимова с 1993 по 2005 год в Восточном Донбассе было ликвидировано около 200 угледобывающих предприятий [96]. При этом шахтные стволы представляют собой наиболее крупные инженерные сооружения, и их ликвидация является самой трудоемкой, дорогостоящей и небезопасной. После ликвидации шахт на них часто происходят техногенных аварий. Наиболее часто встречаемые причины аварий:

1. Не засыпанные породой и плохо закрытые устья стволов (разрушение слабой крепи стволов и нарушение полков недостаточной прочности на их устье).

2. Некачественно засыпанные стволы или стволы, в которых из-за растворения известняков или размыва слабых вмещающих пород подземными водами (по мнению автора, это признаки подземной водной эрозии), происходит обрушение крепи стволов.

3. Затопление стволов поверхностными водами или интенсивные притоки подземных вод, вызывающие размыв закладки и её унос в сопрягающие со стволом выработки, часто с образованием кратеров и провалов (также признаки водной эрозии).

4. Взрывы и возгорания метана, поступление метана или «мертвого воздуха» в окружающие здания и сооружения.

5. Внезапные подъемы воды в ликвидируемых стволах на десятки метров, причины которых неизвестны.

6. Отсутствие мониторинга за ликвидированными стволами, который смог бы предотвратить все крупные аварии.

С позиции генезиса половина аварий спровоцирована подземными водами, в том числе, и выход метана, который вытесняется из выработок при их затоплении, остальные - техническими и организационными факторами.

Среди немногочисленных российских работ, посвященных названой проблемы, выделяются работы Санкт-Петербургского ВНИМИ и, в первую очередь, Норватова Ю.А. и Петровой И.Б. [39]. Ими проанализированы гидрогеологические условия и последствия затопления угольных шахт Восточного Донбасса и Кузбасса, разработано методическое руководство по прогнозу гидрогеологических условий, обеспечивающих предотвращение негативных экологических последствий [153], в частности, подтопления селитебных территорий, прорывов шахтных вод в работающие смежные шахты, загрязнения питьевых водозаборов и т.п.

Самая сильная сторона работ Ю.А. Норватова и И.Б. Петровой заключается в разработке и усовершенствовании методики численного моделирования процесса затопления шахтных полей в нестационарной постановке. Работы выполнялись на конкретных объектах Восточного Донбасса. Затапливаемые шахты представлялись как особые природно-техногенные гидрогеологические структуры, сформированные при ведении очистных горных работ. Установлено, что гетерогенность техногенных комплексов и водонасыщенность перекрывающего породного массива определяют характер затопления при стабилизации водопритоков через 800-1000 суток после начала процесса затопления. Далее объем водопритоков на исследованных объектах уменьшается до 100- м3/сут [155]. В последней работе предложены аналитические зависимости для прогноза времени затопления применительно к трем типовым гидродинамическим схемам природно-техногенных гидрогеологических структур Восточного Донбасса. Тестовыми расчетами доказано влияние упругоёмкости перекрывающего породного массива на скорость затопления: чем выше упругоёмкость, тем медленнее процесс затопления. Например, при коэффициенте упругоёмкости = 10-6 1/м скорость подъема составила 0, м/сут, а при увеличении упругоёмкости до 10-5 и 10-3 1/м скорость затопления снижается до 0,1 м/сут. Не учет упругоёмкости перекрывающего породного массива для геологических условий Восточного Донбасса создает погрешности прогноза затопления до %. Следует отметить, что для рудников Урала учет упругоемкости перекрывающего массива, из-за геологических особенностей территории, не столь значим.

Изложенный подход был реализован при прогнозе затопления Ленинградского месторождения горючих сланцев (шахты им. Кирова и Ленинградская) с прогнозом фенольного загрязнения, являющегося продуктом переработки горючих сланцев [156, 168].

Натурные наблюдения показали, что затопление горных выработок приводит к повышению концентрации летучих фенолов и тяжелых металлов в шахтных водах, за счет инфильтрационного загрязнения из снегового покрова. По результатам численного моделирования через три года после затопления шахт в подземных водах кукерского и таллинского горизонтов, используемых для водоснабжения г. Сланцы, ожидается превышение ПДК по содержанию фенолов и некоторых тяжелых металлов.

Суммарные водопритоки к шахтам на первом этапе затопления составляли 4000м3/час при глубине около 80 м и площади месторождения - 700 км2. На завершающей стадии затопления водопритоки в выработанное пространство прогнозировались снизиться до 500 м3/час, скорость подъема уровней - 0,05 м/сут. Время полного затопления прогнозировалась 800 - 1000 суток. Разработанная численная модель позволила обосновать эффективную систему гидрогеоэкологического мониторинга месторождения на период его затопления [134]. В некоторых работах указанного коллектива авторов отмечено увеличение доли подземного стока на подработанных территориях до предельных значений: подземный сток равен или даже превышает значения общего [153, 154]. Существуют и другие модели затопления шахтных выработок [133].

По данным затопления угольных шахт Стахановско-Брянского региона Восточного Донбасса, проанализированных Черниковой С.А., скорость водоподъема изменялась от 0,2 до 8,0 м/сут с максимальными значениями в зонах наибольшей нарушенности массива [230]. Ею выполнена классификация объектов затопления на 3 группы по горно-геологическим параметрам. Объекты I группы с коэффициентами фильтрации 0,005 м/сут затопляются со скоростью 0,05-1,09 м/сут.; II группы – при коэффициенте фильтрации 0,35-46,4 м/сут, со скорость затопления 0,08-5 м/сут; III группы - соответствующие значения 0,5-3,8 м/сут и 0,3-0,87 м/сут. Естественно, подобные оценки носят индивидуальный характер, поскольку комплекс факторов включает как горногеологические, так и климатические факторы, сочетание которых на каждом объекте индивидуально.

Последствия затопления 43 шахт Кузбасса рассмотрены в работах В.М. Лювига.

Угольные шахты отрабатывались от 30-40 и до 100 лет, имели глубину 300-400 до 700 м, площадь горных выработок - от единиц до десятков квадратных километров, различное геоморфологическое расположение (от долин I-го порядка до водоразделов и приводораздельных склонов) [137, 138].

Шахты затапливались двумя способами. Во-первых, с полным заполнением естественным путем, во-вторых, с частичным затоплением до обоснованных безопасных отметок и последующим их поддержанием путем водоотлива или самопроизвольного перетока на соседние действующие шахты.

Среди неблагоприятных процессов на территории Кузбасса особую опасность создает подтопление, которое развивается не только и не столько в пределах горного отвода шахт, но в первую очередь, на периферии депрессионных воронок в пределах речных долин, где иногда восстанавливается родниковая разгрузка (например, долина р.

Аба в зоне влияния шахты им. Орджоникидзе и др.). Одним из факторов, обостряющих процесс подтопления, является усиление инфильтрационного питания, которое в весенний период при снеготаянии возрастает в 3-5 раз (по мнению автора, яркое свидетельство изменение общего водного баланса территории). Хочется подчеркнуть, что усиление инфильтрационного питания в 2-3 раза до предельных значений общего стока также было обосновано автором на Среднем Урале в границах шахтного поля ликвидированного Богомоловского рудника [72, 257].

По данным [138], в процессе техногенной деятельности пористость и проницаемость массива в пределах горного отвода увеличилась до 5-7 %, а наличие капитальных горных выработок обеспечивало хорошую гидравлическую связь разных геоморфологических участков месторождения.

В результате затопленные шахты стали выполнять роль дренирующей системы для подземного стока (автор полагает, это признаком коренной перестройки структуры фильтрационного потока), что привело к загрязнению транзитного фильтрационного потока при прохождении через техногенные полости. В подземных водах возрастала минерализация в 3-4 раза (до 2-3 г/л), появляется сероводород (до 0,4-0,8 мг/л), надфоновые концентрации соединений азота, железа, марганца, нефтепродуктов, ХПК и БПК, что связано с большим количеством органического материала в затопленных шахтах (деревянная крепь, ветошь и пр.), растворением солей карбонатов и сульфатов, накопленных в виде пыли в горных выработках. Восстановительный режим в подземных выработках характеризуется низким Еh (до -30 мв).

В ряде случаев создается угроза для питьевых водозаборов, если в область питания попадают затопленные шахты (шахты им. Дмитрова, Бунгурская, им. Волкова). В целом, уровень техногенного воздействия на «пассивной» фазе воздействия на геологическую среду, по оценкам Людвига, даже превышает наблюдавшийся при добыче угля.

Гидрохимические последствия ликвидации угольных шахт в Приморском крае и на Сахалине освещены в работах И.А. Тарасенко и коллег [213, 214]. Существенное гидрохимическое воздействие шахтных вод с минерализацией от 2 до 4 г/л испытывают поверхностные водотоки в зоне влияния шахты «Мгачи», затопленной аварийно в году [213]. Напротив, солоноватые шахтные воды техногенного комплекса в пределах Раздольненского каменноугольного бассейна Приморья, содержащие повышенные концентрации железа, марганца, фенолов, нефтепродуктов, сульфатов и др., как показали инженерно-экологические изыскания, значимого влияния на поверхностный и подземный сток за пределами горного отвода не оказывают.

Гидрогеологические и геоэкологические аспекты закрытия и затопления угольных шахт на Урале в Кизеловском бассейне с 2002 года рассматриваются в работах [106, 107, 180, 248] и др. В этих работах отмечается, что затопление шахт происходило в течение 2-5 лет и сопровождалось формированием родниковой разгрузки в долинах рек, например, р. Кизел. Согласно оценкам С.М. Блинова и А.К. Имайкина, общий объем излива шахтных вод после затопления составил в среднем 17 % от величины дренажного водоотлива. Затопление шахт сопровождалось образованием техногенных горизонтов кислых шахтных вод мощностью 25-30 м на площади многих десятков квадратных километров.

Также как на объектах Донбасса и Кузбасса, при затоплении угольных шахт Кизеловского бассейна, зафиксировано изменение состава шахтных вод, который после затопления отличался максимальной кислотностью, солесодержанием, сульфатностью.

Затем в течение 12-25 лет после начала излива происходит снижение содержания минеральной составляющей шахтных вод. Например, в шурфе 63 шахты «Белый Спой» величина сухого остатка за первые три года уменьшилась с 20,4 до 6 г/л, а в следующие лет – до 1,5 г/л (Таблица 1.5). Затем наблюдается относительная стабилизация химического состава. По ориентировочным балансовым расчетам [106], стабилизация химического состава шахтных вод на их изливе обеспечена накопленными потерями пирита в отработанных шахтах Коспашского месторождения почти на 1500 лет.

В местах выхода шахтных вод на поверхность земли зафиксировано образование осадка, представленного преимущественно гидроокислами железа, а также алюминием, марганцем, тяжелыми металлами [180]. Аналогичный состав обнаружен автором в донном осадке при выходе шахтных вод Дегтярского рудника на поверхность земли [76, 165].

На территории Кизеловского бассейна осадок сноситься течением речных вод и накапливается в зоне подпора Камского водохранилища, угрожая вторичным загрязнением речным системам. Сток с территории Дегтярского рудника, по фондовым данным [261], накапливается в Ельчевском отстойнике и угрожает Волчихинскому водохранилищу - основному источнику питьевого водоснабжения г. Екатеринбурга.

На поверхности земли ниже самоизлива шахты «Белый Спой» на Кизеловском угольном бассейне исследователями обнаружено образование уникальных морфологических форм, характерных для травертиновых построек, но образованных сульфатами и гидрооксидами железа. Уступы и барьеры с неглубокими водными ваннами, в которых нижняя часть отложений, мощностью до 0,5 м, представлена ярозитом, верхняя – темнобурыми пористыми корами гидроокислов железа [180].

Согласно данным тех же авторов, вторичное минералообразование в Кизеловском бассейне происходит и на 53 отвалах, являясь результатом физического выветривания, окисления, растворения, гидролиза, гидратации и других процессов под воздействием природных агентов. Образованы неустойчивые и хорошо растворимые сульфаты железа, алюминия, кальция, а стоки с отвалов, формирующиеся за счет инфильтрации атмосферных осадков, имеют минерализацию до 50 г/л и более, рН 1-3, значительные концентрации сульфатов, железа, алюминия, тяжелых металлов.

Таблица 1.5 - Химический состав шахтных вод до и после закрытия шахт Кизеловского угольного бассейна [Имайкин, Баньковская, Буркова; Имайкин] штольню, 1997) Западная - Гремячинская(1993), Западная, Таежная (излив через Ранее исследованиями на примере Уральских объектов была доказана особая токсичность отвалов отрабатываемых колчеданных месторождений [94, 95]. В результате вторичного минералообразования происходит вынос геомиграционными потоками (поверхностным и подземным стоком) выщелоченных элементов и образование масштабных техногенных геохимических, гидро- и биогеохимических ореолов рассеяния кадмия, цинка и др., выходящих далеко за пределы подработанных территорий.

Существенное загрязнение железом, цинком, медью, кадмием, бериллием, свинцом, мышьяком и сурьмой, как показали исследования С.Б. Бортниковой и А.В. Еделева [62], могут продуцировать отвалы и золоторудных месторождений. Экспериментами с сульфидсодержащими отвальными породами Тасеевского и Ведугинского золоторудных месторождений продемонстрирована возможность нарастания кислотности в диапазоне от нейтральных значений до 2, а также концентрации металлов и металлоидов во времени до концентраций, опасных для объектов окружающей среды. Активизируют процессы загрязнения выветривание отвальных пород.

При сохранении отвалов и техногенных геохимических ореолов после остановки рудников можно с высокой степенью вероятности предположить, что выявленные геохимические закономерности будут иметь продолжение и на постэксплуатационной стадии техногенеза достаточно длительное время.

Еще одним процессом, сопровождающим затопление шахт в Кизеловском бассейне, является активизация карста и подтопления, а также их парагенезиса, детально исследованный Г.Н. Дублянской [60].

Геоэкологические последствия закрытие горнорудных предприятий в конце 20-го века на Дальнем Востоке рассмотрим на примере Смирновского свинцово-цинкового рудника (Сихотэ-Алинь, бассейн р. Рудная), эксплуатируемого с 1950 по 1996 г. После остановки и затопления рудника отмечено закисление рудничных стоков, в том числе, в результате прекращения их нейтрализации [6]. При его эксплуатации (до 1989 г.) рудничный сток после нейтрализации и отстойника имел слабощелочную реакцию и сульфатно-кальциевый состав. После остановки и затопления рудничный сток из штолен и дренажные воды из отвалов, дренировались единым ручьем, впадающим в р. Рудная без какой-либо очистки.

Сравнением результатов опробования разных лет показано, что через два года после прекращения работ на руднике стоки стали более кислыми, в них почти вдвое возросло количество сульфатов, кальция, магния (Таблица 1.6), что в целом свидетельствует об интенсификации окислительного сернокислотного процесса в выработках и накопленных отвалах и более активном воздействии агрессивных вод на рудовмещающие породы. Русло ручья покрылось аморфными гидроокислами железа и алюминия, чего не наблюдалось в 1989 г. Аналогичные процессы можно наблюдать и при закрытии некоторых уральских рудников, например, Дегтярского [165, 261].

Таблица 1.6 - Химический состав шахтных вод Смирновского рудника и реки Рудной до и после закрытия рудника [6] Компонент Смирновский рудник Р. Рудная ниже пос. Краснореченский Напротив, снижение активности процессов сернокислотного выщелачивания на уральских рудных объектах при восстановлении уровня подземных вод, заполнения выработанного пространства водой и ограничения доступа кислорода к остаточной сульфидной минерализации на глубоких горизонтах отмечается в работах [103, 130]. Исключение, по мнению вышеуказанных авторов, составляют рудники, в недрах которых остались сульфидсодержащие породы и руды, залегающие выше уровня местного базиса разгрузки. Именно на таких объектах, утверждает источник, наблюдается излив кислых вод из шахт и карьеров после их затопления, при этом значение рH воды остается на уровне 2,0 – 2,5, а содержание тяжелых металлов достигает нескольких сотен г/м3 (Таблица 1.7). Следует отметить, что такое объяснение не согласуется с ростом кислотности воды при затоплении Кизеловских угольных шахт и других объектов. Возможно, точка согласия лежит в признании положения восстановленного уровня подземных вод на отметках ниже естественных на определенной части затопленного шахтного поля или в рассмотрения рудничного стока на ликвидированных объектах в отдаленной перспективе.

Таблица 1.7 - Содержание металлов-халькофилов (мг/л) в шахтных водах рудников в период их эксплуатации и после полного затопления [103] ционала В любом случае вышеуказанные авторы считают, что мокрая консервация рудников не решает проблемы защиты окружающей среды от загрязнения её тяжелыми металлами, и с этим нельзя не согласиться. Главными выводами и рекомендациями в работах О.В. Зотеева и его коллег является проведение химической рекультивации объектов с откачкой шахтных вод из глубоких горизонтов и извлечением полезных компонентов.

Серия научно-методических работ в этом направлении по защите водных объектов на действующих и законсервированных рудных месторождениях Урала и Узбекистана выполнена под руководством Ю.С. Рыбакова [12, 271] и др. Например, для отвалов Левихинского рудника [124] продемонстрирована экономическая и экологическая эффективность работы установок кучного выщелачивания, а на Карабашском руднике Чижовым Е.А. – эффективность подземного выщелачивания [233]. Химическая рекультивация рассматривается как промежуточный этап многоступенчатой технической и биологической рекультивации отработанных рудных полей. Методология оценки степени реабилитации территории при высоких техногенных нагрузках, в том числе, оказываемых Карабашским рудником, рассмотрены в работе Г.В. Калабина [112].

На техническом этапе рекультивации на Урале широкое распространение получило использование промышленных отходов для заполнения отработанных карьерах, зон сдвижения и провалов [110, 253].

Региональные работы по обследованию бесхозных горных выработок на территории Свердловской, Пермской и Челябинской областей для целей гражданской обороны были выполнены в 1976 г. Уральской комплексной съемочной экспедицией [275]. Глубина старых выработок XIX века и начала XX века, в основном золоторудных, платиновых, строительных материалов и т.п., достигала 300 м. Установлено, что большая часть из 200 обследованных объектов завалена (из-за трещиноватости и разрушенности массива горных пород) и затоплена подземными водами, поэтому недоступна для обследования (Рисунок 1.3). Было признано, что их восстановление не целесообразно.

Разнообразная информация по горнорудным объектам после их затопления и ухода недропользователя освещается и в широкой печати: в газетах, журналах и на интернет-порталах, что свидетельствует о высокой социальной значимости проблемы. Созданы специальные интернет-сайты, например, www.MiningWiki.ru (свободная шахтерская энциклопедия), www.speleostolo.narod.ru (спелеостологические заметки), а также публикации на региональных и профессиональных страницах, например, www.rsugol.ru (Российский уголь) и др.

Прогнозами затопления остановленных рудников на Урале наиболее активно занимались А.А. Арзамасцев (1989, 1991), С.Н. Елохина (2000, 2004, 2007 и др.), А.И.

Вишняк (2005 г.), В.П. Новиков, И.А. Четверкин (2005) и другие исследователи. В основном изучались гидрогеоэкологические проблемы ликвидации конкретных рудников.

В 2011-2013 гг. в открытых источниках появились работы Л.С. Рыбниковой, П.А.

Рыбникова посвященные гидрогеологическим проблемам постмайнинга на Урале [190], в которых фактическими данными подтверждены выявленные ранее на Урале процессы формирования очагов сосредоточенной разгрузки кислых шахтных вод, скрытого латентного загрязнения поверхностных вод, увеличения скорости массо-водообмена, формирования новых свойств массива горных пород, подтопления и др. [63, 66, 67, 77].

1.3. Эволюция природно-техногенных литогенетических систем Согласно идеям самоорганизации, берущей истоки от учения Полынова и обоснованных позднее в работах И. Пригожина, открытые природные литогенетические системы развиваются (эволюционируют) в направлении упрощения структурных связей, снижения кинетической энергии и увеличения энтропии [151]. Это выражается в разрушении коренных пород и выравнивании ландшафтов водной и ветровой эрозией, гравитационными силами и химическим и физическим выветриванием [114, 116] и т.п. На Урале выделяются поверхности выравнивания, отражающие его историческое развитие [36]. При этом миграционные потоки как разрушают первичные, так и формируют вторичные месторождения и рудопроявления [33, 166, 167].

В центре геохимической эволюции находится физико-химическое взаимодействие вода-порода-газ-микроорганизмы, которые в совокупности обладают свойствами недоступными в отдельности для каждой её составляющей [34, 236, 237]. Важным показателям геохимического взаимодействия служит соотношение R:W (порода-вода или водапорода), которое в природных геосистемах изменяется достаточно медленно. Иная ситуации в техногенных условиях, когда в сжатые сроки возрастают скорости энергообмена (водо- и массообмена) в литосфере, выражаемые в гидрогеологической практике объемом подземного стока [121]. Резкое увеличение объема подземного стока в 2-3 раза приводит к формированию промывного режима геофильтрации, активному внедрению атмосферных агентов вглубь массива горных пород.

С позиции интенсивности преобразования техногенный этап развития системы, как было показано выше, принципиально может быть подразделен на две стадии: активную и пассивную. Последняя всегда следует за первой, вслед за которой вновь могут возобновиться активные горнотехнические мероприятия.

Активная стадия революционна, поскольку в ходе эксплуатации месторождения происходит формирование техногенных гидрогеологических структур с мощной техногенной зоной аэрации, центростремительной структурой фильтрационного потока и т.д.

[76, 94]. Влияние природных факторов на режим и баланс подземных вод, структуру фильтрационного потока, а также возможности природной саморегуляции все геосистемы на этой стадии техногенеза нивелируется дренажными и другими мероприятиями.

Природные факторы уходят на второй план, а активные техногенные мероприятия совокупно воздействуют на систему в целом в её генетическом единстве, включая подземные воды. Установлено [57, 59], что главным фактором, влияющим на потерю прочностных свойств эффузивными породами СУБРа, является изменение влажности после их вскрытия скважинами или подземными горными выработками. Особенно быстро при горнотехническом вскрытии происходит разрушение (химическое и физическое выветривание) метасоматитов, слагающих массивы медно-колчеданных и скарновомагнетитовых месторождений Урала [54].

На пассивной стадии техногенно-измененная литосфера (на затопленном руднике) снова попадает под доминирующее влияние природных факторов развития. В новых природно-техногенных геологических условиях и ландшафтах снова на первый план выходят процессы химического и физического выветривания, подземной и поверхностной водной эрозии и др., воздействуя уже на активно разрушенный массив горных пород. Выветривание и гравитационное выравнивание (пенепленизация) преобразуют образованные горным техногенезом природно-техногенные ландшафты, в том числе, обрушением над подземными пустотами. Начинается новый цикл почвообразования, сернокислотного и углекислого выщелачивания, растворения и осаждение на геохимических барьерах техногенных минералов, восстановление или образование новых бассейнов подземного и поверхностного стока [75, 76].

Литокомплексы и подземные воды начинают существовать в новых природнотехногенных структурах и условиях, возникают новые параметры, и даже механизмы самоорганизации, отличные от природных. В достаточно неустойчивой системе («вода горная порода») изменения затрагивают все аспекты существования подземных вод, начиная от баланса и режима, и до положения кислотно-щелочных и окислительно - восстановительных барьеров [33]. С термодинамической точки зрения система становится неравновесной и часто обогащает подземную водную среду нехарактерными для природных условий ингредиентами.

Таким образом, активный техногенез горнорудного профиля в корне изменяет вектор природного развития геосистемы, тогда как при пассивном техногенезе идет регрессия свойств геосистемы в первоначальном направлении (нарастание энтропии).

Мегаактивность горнорудного техногенеза, изменяющего литогеохимические поля, продемонстрирована в краеведческой монографии по одному из районов Среднего Урала со старейшей историей горнопромышленного производства (Режевской район Свердловской области) [27]. Авторами монографии сравнительная активность техногенеза определена, исходя из продолжительности формирования здесь техногенных ландшафтов (250 лет) и длительности геологического накопления мобилизованных минеральных ресурсов (2,5 млрд. лет). В этом случае активность техногенеза, в сравнении с геогенезом, выше в 10 млн раз (2 500 000 : 0,25). Расчет очевидно завышен, поскольку перерождение геохимической специализации территории происходит не по всей глубине техногенного воздействия. При этом убедительным выглядит материал по техногенной специализации геохимических ассоциаций в поверхностных природных объектах:

почве, снеге и талой воде, представленный в указанной работе.

Ещё один важный вывод сделан авторами [27] об инерционности техногенеза, который, как саморегулирующая система сам ограничивает экспансию техногенного воздействия, создавая препятствия на пути освоения минеральных ресурсов или существования геотехнических систем. К таковым относятся процессы загрязнения компонентов окружающей среды (природных вод, атмосферного воздуха и др.), геодинамическая нестабильность и т.п.

Проявления регионального техногенеза на Среднем Урале подтверждают авторские исследования (совместно с А.С. Юркиным) химического состава родникового стока. С использованием большого объема фактического материала на статистических моделях выявлены произошедшие за последние 50 лет изменения регионального гидрогеохимического фона [90, 92]. Модальные значения минерализации воды в пределах отдельных водоносных зон выросли в два-три раза, изменились и другие показатели вариационных кривых (концентрация иона сульфата и др.). Причина подобного гидрохимического тренда связывается с региональными техногенными факторами: аэрогенное загрязнение от газо-дымовых выбросов и пыления отвалов и других объектов, горных и строительных работ, автотранспорта и т.п.

Следовательно, чтобы в дальнейшем человеку цивилизованно существовать на уже освоенной территории, есть только один выход - жесткий контроль над уровнем техногенного воздействия, путем реализации сквозного экологического мониторинга на участках наиболее активного воздействия [27], к которым относятся, в первую очередь, горнодобывающие объекты. Отдельной задачей является установление допустимого уровня воздействия– его нормирование [227], с учетом исторических событий и накопленных последствий.

А исторические события на горнорудных объектах Урала показывают, что горнодобывающая деятельность на месторождениях или его отдельных участках может производиться с перерывами, иногда очень длительными (сотни лет), иногда короткими (менее 10 лет) [18, 78]. Перерывы связаны с политическими событиями (войнами, например, при затоплении угольных шахт Донбасса в 1941 году и последующим их осушением) [131]; сменой социально-экономической политики (например, государственной собственности на частный капитал в Англии в 80-х годах XX-го века и в России в 90-х годах того же века), сопровождавшийся массовым закрытием угольных шахт; достижениями науки и техники, например, появлением мощных дренажных насосов в Германии, Чехии и др. в начале XIX века, в России – в конце того же века, что позволило многократно увеличить глубину вскрытия и отработки месторождений; внедрение гидрометаллургического способа на Урале (например, на Блявинском и Гумешевском месторождениях), дающего возможность экономически эффективно извлекать полезные компонентов (золото, медь) на ранее неперспективных участках, и другие обстоятельства (колебания конъюнктуры мирового рынка и пр.) не относящиеся к существу рассматриваемой проблемы.

Цикличность горнорудного производства доказывает вскрытие старых затопленных выработок при разведке и освоении Гумешевского, Березовского, Турьинского, Шиловского и др. рудников. На Гумешевском руднике обращает внимание химический состав подземных вод в старых горных выработках, вскрытие которых приводит к внезапным и даже катастрофическим водопритокам (прорывам). На угольных и колчеданных месторождениях воды в старых затопленных выработках часто имеют кислую реакцию с рН 0,8 – 6,52, на отработанных участках полиметаллических рудников подземные воды обогащаются тяжелыми металлами: концентрация меди, цинка, свинца и других металлов может достигать десятки грамм в 1 л [163].

Таким образом, горное производство - один из наиболее древних видов человеческой деятельности, насчитывающий несколько тысячелетий. По масштабам и продолжительности воздействия на подземную гидросферу оно сопоставимо с некоторыми природными экзогенными факторами, например, такими как эрозия рек, изменяющая базис дренирования подземного стока. Необратимые преобразования, обусловленные механическим перемещением горной массы, изменением агрегатного и минералогического состава горных пород, возникают с начала освоения месторождения и продолжаются даже после ликвидации горнодобывающего предприятия [66, 72, 75, 94].

Закрытие горнодобывающих предприятий путем ликвидации или консервации горных выработок является исторически неотвратимым событием. Более того, как показывает российский и зарубежный опыт, возникают условия для массового и иногда неконтролируемого закрытия шахт и рудников, которое может неоднократно повторяться в одних и те же пространственных границах.

На постэксплуатационном этапе происходит самоорганизация гидродинамической обстановки применительно к новым природно-техногенным условиям: структура фильтрационного потока полностью или частично восстанавливает центробежный характер, что дало основание относить соответствующую стадию техногенеза по характеру развития к регрессивной. Но при этом почти всегда остаются нарушенными условия питания и транзита подземных вод, а в некоторых случаях, условия их разгрузки (формирование техногенных родников, подтопление и т.п.). В пределах нарушенной части подземной гидросферы формируется специфическая гидрохимическая обстановка, проявляющаяся в ином химическом составе шахтных вод и являющаяся унаследованной от активной стадии техногенеза.

Отсюда следует, что оценка параметров горнопромышленного техногенеза и его экологических последствий актуальна не только на стадии активной разработки месторождения, но и после остановки горнодобывающего объекта. В упомянутых условиях, согласно эмпирическим данным, формируются специфические природно-техногенные процессы, требующие управления. При этом научно-методические основы техногенеза постэксплуатационной (пассивной) стадии, как показал анализ опубликованных данных, разработаны явно недостаточно.

Как известно, большая часть воды в литосфере (до 95 %) сосредоточена до глубины 2 км [41, 98, 138, 259]. Для характеристики нахождения (и движения) воды в литосфере используются два ключевых понятия, которые дополняют, а у некоторых авторов взаимозаменяют друг друга. Эти понятия - подземная водоносная (гидрогеологическая) система (ПВС) и гидрогеологическая структура (ГГС).

Действительно, подземная гидросфера (или подземная водная система [160]), разделяется сообразно фильтрационным и прочим условиям на гидрогеологические тела [117, 118]. От свойств и параметров водовмещающих пород зависит структура фильтрационного потока, химический и газовый состав подземных вод и т.п.

1.4.1. Подземная водоносная система или гидрогеологическая структура?

Гидрогеологическая структура (ГГС) – есть объект гидрогеологического районирования и гидрогеологической стратификации, которые, как известно, являются фундаментальными проблемами гидрогеологии, особенно, в прикладной её части - при мониторинге состояния подземных вод. Гидрогеологические таксоны представляют собой объекты изучения, обобщения и картографирования распространения, условий формирования подземных вод и пространственно-временных изменений их количественных и качественных показателей.

Основные положения, на которых построены гидрогеологическое районирование и стратификация, следующие [29, 181]:

1) обеспечение унификации (информационного единства) объектов гидрогеологического районирования и стратификации;

2) универсальность гидрогеологических районирования и стратификации, определяющих возможность их использования при проведении различных видов геологических работ;

3) существование общего и специальных гидрогеологических районирований и стратификаций. К общему принципу относятся унифицированные районирование и стратификация, которые имеют геосистемную природу, поскольку отражают условия формирования подземных вод гидрогеологических структур и иерархическое отношение таксонов различного ранга. Специальные районирование и стратификация (ресурсов, питания, режима, качества подземных вод и др.) разрабатываются для решения конкретных гидрогеологических задач с учетом унифицированных районирования и гидрогеологической стратификации;

4) гидрогеологическое районирование и стратификация должны отражать индивидуальные особенности формирования и водоносности гидрогеологических структур плит, щитов и горно-складчатых сооружений и представлять собой основу объемного (трехмерного) картографирования, т.к. их объекты учитывают особенности гидрогеологических структур в плане и в разрезе.

Основной единицей районирования является гидрогеологическая структура, под которой понимается соответствующая ей геологическая структура (ее часть или совокупность геологических структур), обладающая общностью (однородностью) условий формирования и распространения подземных вод, что определяет гидрогеологическую индивидуальность этой структуры, и представляющую собой целостную балансовую (с гидрогеологических позиций) единицу.