Региональные техногенные изменения геологической среды Донбасса под влиянием горных работ

 

Донбасс является одной из крупнейших техногенно-геологических систем.

Развитие горных работ определило влияние техногенных изменений геологической среды на современное формирование экологических условий региона.

Для геологической среды региона характерно действие следующих факторов:

– практически необратимое изменение состояния пород в зонах обрушения;

– смещение границ зон активного, замедленного и затрудненного водообмена подземных вод и активной их взаимосвязи с поверхностными гидрографическими объектами;

– изменение условий миграции подземных газовых потоков и их смещение к зонам горных работ;

– снижение инженерно-сейсмогеологической устойчивости породных массивов, промышленных и жилищных объектов.

Влияние этих факторов обуславливает протекание ряда процессов техногенного изменения геологической среды Донбасса.

10.3.1 Дренирование и истощение водоносных горизонтов горными выработками

В результате интенсивного шахтного водоотлива (около 25 м³/с – 90000 м³/сутки), более чем вдвое превышающего естественные ресурсы подземных вод углепромышленного Донбасса (12 м³/с), практически на всей его территории происходит срабатывание естественных запасов подземных вод, содержащихся в порах и трещинах как углевмещающих, так и покровных отложений.

Дренирование водоносных горизонтов карбона, представленных в основном песчаниками, происходит в условиях обрушения кровли отрабатываемых угольных пластов с нарушением сплошности горных пород и образованием зияющих активно дренирующих трещин.

Практически во всех случаях ведения добычных работ количество сдренированных подземных вод значительно больше количества поступающих в дренируемых водоносные горизонты водных ресурсов – отсюда истощение последних.

Наблюдается общее увеличение питания водоносных горизонтов. Инфильтрация атмосферных осадков увеличилась с 30 мм/год в ненарушенных условиях до 130 мм/год в углепромышленных районах.

К настоящему времени на площадях старых углепромышленных районов произошло региональное значительное понижение уровня подземных вод как каменноугольных, так и покровных отложений. При величине понижения естественного уровня более 100 м – разрушается баланс зоны активного водообмена.

Зеркало подземных вод на площади каждого углепромышленного района имеет исключительно неровную, резко дифференцированную по уклонам и формам поверхность, характер которой определяется расположением горных выработок, дренирующих водоносные горизонты, водопроницаемостью примыкающего породного массива, развитием гидрографической сети и т.д.

Значительное региональное понижение уровня подземных вод повлекло за собой интенсивное дренирование поверхностных водотоков, особенно в местах их подработки мелкими шахтами.

 

10.3.2 Подработка и истощение водных объектов

Истощение ресурсов поверхностных вод происходит как в результате подработки водотоков и водоемов, так и в результате утечки из последних на участках протекания по шахтным полям. К тому же в условиях резкого снижения уровня подземных вод под речными водотоками их расходы значительно уменьшаются и в следствие снижения разгрузки в них части потока подземных вод.

После подработки шахтой имени XIX партсъезда р. Белой приток в горные выработки в половодье увеличился до 1000 м³/час. При подработке р. Миус шахтой № 4 «Яновской» на глубине 160 м и пруда ШтерГРЭС шахтой «Миусинской» работы были приостановлены в связи с катастрофическими водопритоками.

 

10.3.3 Влияние сброса шахтных вод на поверхностные объекты

 

В течение последних 50 лет в условиях исключительно высокой техногенной нагрузки речные воды Донбасса существенно изменили свой гидрологический, гидрохимический режим прежде всего в результате сброса в них минерализованных и загрязненных шахтных вод.

За этот период сброс шахтных вод в речную сеть увеличился с 1,5 м³/с в 1945 году до 25,5 м³/с в 1994 году, а солевынос соответственно с 260 т/сутки до 6900 т/сутки (27 раз).

Кроме солей сульфатов и хлоридов шахтные воды привносят в речные воды кадмий, мышьяк, селен, ртуть, свинец, цинк, фтор, бериллий, фосфор – первый класс опасности по ГОСТу, а также бор, кобальт, никель, молибден, медь, сурьму, хром, висмут, литий, ниобий (2 класс опасности), барий, ванадий, вольфрам, марганец, стронций (3 класс опасности). Кроме того, в загрязнении участвуют нефтепродукты, радониды и т.д.

Под влиянием сброса шахтных вод (в меньшей мере – промстоков) минерализация речных вод повысилась почти вдвое в границах углепромышленной части Донбасса.

Сбрасываемые шахтные воды содержат 15-150 мг/дм³ (обычно 40-60 мг/дм³) взвешенных частиц, что при сбросе шахтных вод 25,0 м³/с составляет 38700 т/год. Этот фактор совместно со сбросом промстоков, распахиванием склонов и пойм и др. обуславливает заиливание русел рек, зарастание их камышом и болотной растительностью, и конечно, потерю живого сечения водотока.

 

10.3.4 Влияние накопителей и отстойников на геологическую среду

В Донбассе зарегистрированы около 350 объектов-накопителей промотходов, отстойников и других потенциальных загрязнителей геологической среды, функционирование которых непосредственно связано с работой горнодобывающей промышленности. Из указанного количества по 88 отстойникам выполнена экранизация чаши глинистым материалом, по 77 – экранизация не производилась, по остальным – информация отсутствует.

Практически по всем прудам-отстойникам и прудам-осветлителям шахтная вода после протекания по ним имеет прежнюю минерализацию, жесткость, содержание сульфатов, хлоридов, загрязнителей, токсичных элементов и др., причем содержание взвесей в подавляющем большинстве случаев превышает 25 мг/дм³.

Отмечены следующие эколого-геологические недостатки прудов-отстойников:

– преимущественно присклоновое или внутрибалочное размещение обуславливает приуроченность к ослабленным зонам,

– пониженная защищенность водоносных горизонтов в зоне склонов речных долин, балок и других пониженных форм рельефа, часто связанных с современным тектоническим движением земной коры;

– комплексное действие подпорной и нисходящей гидрогеофильтрации, что снижает эффективность экранов, завес и т.д.;

– сброс в речную сеть из прудов-отстойников и прудов-осветителей минерализованных шахтных вод с большим количеством взвешенных веществ привели к загрязнению и засолению поверхностных, а через них и подземных вод.

 

10.3.5 Проседание земной поверхности, заболачивание территорий, подтопление зданий и сооружений

 

Проседание поверхности над горными выработками происходит в связи с обрушением (обычно полным) горных пород над горными выработками, при котором происходит нарушение их сплошности с образованием зияющих трещин. Мощность этой зоны обычно составляет 40-60 м.

Вышележащая толща горных пород мощностью 300-400 м плавно проседает без нарушения сплошности массива, а находящаяся над ней толща горных пород прогибается, образуя в центральной части шахтного поля мульду проседания земной поверхности.

В зависимости от количества и мощности разрабатываемых угольных пластов, глубины их разработки, угла падения углесодержащих пород, их литологического состава и степени их литификации, способа управления кровлей величина проседания может достигнуть: 6,7 м (Западный Донбасс) и обычно (65-70 % случаев) составляет 0,2-2,0 м. Основным и определяющим фактором во всех случаях является способ управления кровлей.

Нивелировками отрезка поверхностного водовода длиной 1,5 км на поле шх. «Украина» (ныне «Романовская») в интервале 1991 – 1999 г.г. показано, что проседание поверхности составило до 0,76 м в замковой части Селезневской котловины.

Интенсивное проседание земной поверхности над горными выработками влечет за собой и другие явления, нарушающие эколого-геологическую обстановку: заболачивание больших участков, подтопление и деформацию зданий и сооружений, образование озер и болот в пониженных местах рельефа, засоление и загрязнение подземных и поверхностных вод.

Подтопление жилых массивов на площадях проседания сопровождается затоплением погребов, коммуникаций, подмоканием и деформацией фундаментов, заболачиванием приусадебных участков, вымоканием фруктовых деревьев, зарастанием камышом и другой болотной растительностью больших участков, в т.ч. и приусадебных.

 

10.3.6 Влияние шахт, находящихся на мокрой консервации, на геологическую среду

 

К основным техногенным факторам, определяющим характер и степень воздействия затопленных шахт на геологическую среду Донбасса, являются: глубина расположения затопленных горных выработок, место расположения устьев стволов в геоморфологическом плане (на водоразделе, на склоне, в пониженных местах рельефа и т.д.), способ управления кровлей отрабатываемых угольных пластов, особенно на верхних горизонтах, герметичность консервации устьев шахтных стволов.

К основным естественным факторам относятся степень гидрогеологической обнаженности района, геологическое строение, степень литификации пород и их водопроводимость, густота и глубина врезки гидрографической сети, интенсивность гидравлической связи водоносных горизонтов карбона с поверхностными водами.

При подъеме уровня подземных вод в процессе затопления минерализованной и загрязненной шахтной водой трещин ранее осушенных горных пород, которые до осушения содержали подземные воды, в большинстве случаев чистые и удовлетворительного качества в связи с формированием их в зоне активного водообмена.

После достижения уровня грунтовых вод шахтные воды затапливаемых шахт в пониженных местах рельефа образуют источники и разгружаются в гидрографическую сеть.

Величина притока разгружающихся шахтных вод всегда меньше величины шахтного водопритока. Режим разгрузки затопленных шахт в речную сеть зависит от сезонных факторов.

Затопление шахт обязательно сопровождается (особенно в открытых районах) интенсивным подтоплением жилых массивов, производственных зданий и заболачиванием значительных территорий.

Уменьшение отрицательного влияния консервируемых угольных шахт на геологическую среду сводятся к переводу всех затопленных шахт на «сухую» или управляемую консервацию (путем начала откачки их непосредственно через стволы или путем сбивки их с действующими шахтами, в которые поступал бы их приток).

Откачиваемые шахтные воды из затопленных шахт вместе с откачиваемыми шахтными водами из действующих шахт должны подаваться на мощные районные опреснительные установки, а также по возможности использоваться для технологических, коммунальных и других целей.

 

10.3.7 Изменение гидродинамической и гидрогеохимической обстановок в районах водозаборов подземных вод под влиянием горных работ

 

Если расположенный на шахтном поле водозабор (скважина, колодец, источник) не каптирует тот водоносный горизонт, который непосредственно подрабатывается и осушается горными выработками по какому-либо угольному пласту, то последние на него существенного влияния не оказывают, особенно в районах высокой литификации пород.

Следует отметить существенное региональное влияние сброса шахтных вод в реки на качество подземных вод водозаборов, расположенных в поймах этих рек.

На 10 грунтовых водозаборах поймы р. Лугань (сброс 70 шахт – 5,5 м³/с с минерализацией 3,0 г/дм³) минерализация повысилась до 1,1 – 1,4 г/дм³ (с 0,5 – 0,8 г/дм³). Кроме того, здесь появились загрязняющие вещества – фенолы, роданиды, симазин, фозалин и др.

 

10.3.8 Влияние горных работ на региональные изменения водного баланса

На изменение водного баланса как поверхностных, так и подземных вод оказывают влияние:

− сброс в речную сеть 108 м³/с промстоков и более 26 м³/с шахтных вод, а также вод по каналу Днепр – Донбасс в количестве 45 м³/с;

− забор поверхностных вод более чем 200 потребителей в количестве 130 м³/с (в т.ч. каналом Сев. Донец – Донбасс в количестве 35 м³/с);

− усиление инфильтрационного питания и снижение поверхностного стока над горными выработками.

Одним из важнейших факторов является влияние горных выработок на эколого-гидрогеологические показатели геологической среды, что проявляется в дренировании водоносных горизонтов карбона и покровных отложений, т.е. их естественных запасов.

Одновременный с этим перехват естественных запасов подземных вод, понижение их уровня на десятки и сотни метров кардинально меняет условия питания водоносных горизонтов, их режим, а также режим поверхностного стока.

Предварительная количественная оценка степени воздействия горных работ на водные ресурсы региона, а значит и на изменение водного баланса в нем, может быть получена путем сопоставления двух величин – естественных ресурсов подземных вод и шахтного водоотлива.

При модуле подземного стока 0,8 л/сек/км² и площади 15000 км² водные ресурсы подземных вод составят 12,0 м³/с, а величина общешахтного водоотлива составляет 25,0 м³/с.

Следовательно, остальные 13,0 м³/с могут быть обеспечены за счет сработки естественных запасов подземных вод, перехвата дренируемых поверхностных вод, а также вследствие усиления инфильтрации атмосферных осадков.

Изучение влияния горных работ на отдельные элементы водного баланса позволяют сделать выводы:

– естественные ресурсы подземных вод (12 м³/с) практически полностью участвуют в обводнении горных выработок;

– естественные запасы подземных вод в обводнении горных выработок участвуют за счет дренирования водоносных горизонтов в зоне интенсивного выветривания пород карбона и за счет осушения (обычно частичного) водоносных горизонтов в зоне обрушения горных пород над очистными выработками;

– интенсивное дренирование водоносных горизонтов карбона и покровных отложений и проседания земной поверхности над очистными выработками обусловили резкое увеличение (в 3,5-4 раза) инфильтрации атмосферных осадков, что существенно повысило обводненность шахт;

– существенным источником обводнения горных выработок являются речные воды – как в случаях непосредственной подработки рек на небольших глубинах в границах зон активного водообмена, так и на полях угольных шахт, по которым протекают реки – здесь уровень подземных вод понизился на десятки метров;

– вследствие высокой нарушенности горного массива и проседания земной поверхности резко возросло (в 4 раза) инфильтрационное питание водоносных горизонтов – дополнительного источника обводнения горных выработок.

Практически полное техногенное преобразование эколого-геологических условий Донбасса обусловили необходимость обоснования схем рекультивации геологической среды после выведения шахт из эксплуатации и нового этапа формирования природно-техногенных условий региона.

Важнейшими элементами нового состояния региона будут техногенно-геологические системы «шахта – геологическая среда», смена состояний которых в эксплуатационном и консервативном режиме необходима для корректировки методов прогнозирования обводненности горных выработок в процессе строительства и эксплуатации шахт, а также для разработки первоочередных природоохранных мероприятий.

 

10.3.9 Влияние горных выработок на изменение сейсмо- и инженерно-геологических условий

 

Глубина отработки угольных пластов изменяется от 300 до 1300 м и сопровождается различными негативными изменениями геологической среды: подтопление и заболачивание земель, проседание земной поверхности, дробление массива горных пород с уменьшением его механической и сейсмической стойкости, ускорение фильтрации загрязнений в горное пространство и подземные воды.

В этой связи за счет техногенного изменения состояния пород преимущественно в зоне влияния горных работ формируется повышенный риск разрушения важных хозяйственных объектов.

Техногенные изменения состояния породного массива могут вызвать:

– труднопрогнозируемую миграцию газовых потоков в подработанных и разрушенных породах горного массива;

– формирование устойчивого загрязнения поверхностного стока (реки, водохранилища) за счет разгрузки минерализованных вод глубоких горизонтов через зону горных пород и др.

10.3.10 Прогноз изменения эколого-гидрогеологической обстановки под влиянием горных работ

 

Возрастающее влияние горных работ на перспективу до 2015 года будет сопровождаться усилением следующих негативных факторов:

– развитием степени дренирования и истощения водоносных горизонтов;

– увеличение площади подтопления и заболачивания в связи с переводом на мокрую консервацию угольных шахт;

– расширение зон проседания земной поверхности (подтопление и заболачивание ежегодно до 400-500 км²);

– повышение общей минерализации речных вод на 0,3-0,7 г/дм³ под влиянием сброса шахтных вод (особо для малых рек);

– возрастание привноса в речные воды вредных и загрязняющих веществ на 10-15 %;

– нарушение устойчивости и экологической безопасности источников хозпитьевого водоснабжения (Исаковское водохранилище);

– усиление техногенной нагрузки на водозаборы, расположенные в поймах рек;

– рост зон дренирования и истощения водоносного горизонта нижнего карбона в районе Ново-Троицка, что приведет к выводу из строя части водозаборов;

– усиление отрицательного влияния накопителей шахтных вод и хвостохранилищ, что выразится в дальнейшем засолении речных вод и водоносных горизонтов, в т.ч. и перспективных.

Донбасс в настоящее время относится к одной из крупнейших зон в мире с практически перестроенной в результате техногенеза окружающей средой, прежде всего его геологической составляющей.

Для оценки и прогноза изменения окружающей среды Донбасса необходимы:

– инвентаризация и анализ имеющихся материалов, комплексное обследование для регионального экологического районирования;

– создание базы данных для районирования углепромышленных районов по эколого-геологическим условиям рекультивации (консервации) геологической среды;

– проведение комплекса исследований для разработки мероприятий по безопасной консервации горного производства;

– проведение государственного эколого-геологического картирования Донбасса для оценки влияния горных работ на состояние среды: биоту, грунты, воды, атмосферу;

– совершенствование структуры мониторинга;

– обоснование предельно допустимых эколого-геологических нагрузок (ПДЭГН) и изменений (ПДЭГИ);

– разработка мер по ограничению нарушений равновесия в системе «породный массив – подземные воды»;

– оценка устойчивости геологической среды в принципиально новом состоянии системы «породный массив – подземные воды» при выводе шахт из эксплуатации;

– создание банка геолого-экологических данных Донбасса как основы мониторинга геологической среды для оперативных оценок, контроля состояния и прогноза ее изменения.