Методические рекомендации. Инженерно-геологические, гидрогеологические и геоэкологические исследования при разведке и эксплуатации рудных месторождений

(рассмотрено и одобрено Протоколом МПР России от 12.04.2002 № 5)

от 12 апреля 2002 г. № 5

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ, ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ И ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИ РАЗВЕДКЕ И ЭКСПЛУАТАЦИИ

Введение

Настоящие Рекомендации являются продолжением опубликованных ранее работ ВИМСа. Они предназначены для:

• организаций, проводящих геолого-разведочные, проектировочные, эксплуатационные и реабилитационные работы по освоению рудных месторождений, составлению ТЭО разведочных и эксплуатационных кондиций, отчетов по подсчету запасов, осуществляющих объектный мониторинг на действующих и завершенных рудных объектах,
• органов Управления, осуществляющих экспертизу разведочных и эксплуатационных кондиций, материалов подсчета запасов месторождений, а также выдачу лицензий на пользование недрами,
• органов Государственной экологической экспертизы, Государственного контроля в области природопользования и охраны окружающей среды, администрации районов, на территории которых предполагается и осуществляется освоение рудного месторождения.

Программа представленной работы была предложена Заказчиком — Управлением ресурсов подземных вод, геоэкологии и мониторинга геологической среды МПР РФ.

В отличие от существующих Рекомендаций и Руководств («Методическое руководство по изучению инженерно-геологических условий рудных месторождений при их разведке», 2001; «Экологическая оценка рудных месторождений», 2002; «Гидрогеологические исследования на стадии детальной разведки рудных месторождений») Заказчик поставил перед авторским коллективом следующую цель:

• отразить в Рекомендациях учет воздействий и прогноз последствий не только природных, но и техногенных факторов,
• объединить в рамках одного тома рекомендации по изучению и прогнозу инженерно-геологических, гидрогеологических и экологических последствий освоения рудных месторождений,
• учесть при составлении Рекомендаций нормативные документы МПР последних лет.

При составлении настоящей работы учтены следующие нормативно-методические документы: «Классификация запасов месторождений и прогнозных ресурсов твердых полезных ископаемых» МПР РФ, ГКЗ, 1998; «Рекомендации по содержанию, оформлению и порядку представления на Государственную экспертизу материалов подсчета запасов металлических и неметаллических полезных ископаемых МПР РФ, ГКЗ, 1998; „Положение о порядке проведения геолого-разведочных работ по этапам и стадиям на твердые полезные ископаемые“ МПР РФ, ВИЭМС, 1999.»

Предлагаемые Рекомендации состоят из трех разделов, в которых рассмотрен учет техногенных воздействий при прогнозной оценке трех основных факторов освоения рудного месторождения:

• инженерно-геологического,
• гидрогеологического обеспечения горных работ,
• геоэкологического.

Данная работа была рассмотрена и одобрена Заказчиком и рекомендована после редакции к изданию в качестве официального документа МПР (Протокол № 5 от 12 апреля 2002 г.).

Отдельные части работы написаны следующими авторами:

Кузькиным В.И. — Введение, раздел I;

Самсоновым Б.Г. — раздел II, раздел III, гл. 3, 4, 5, 6, 7;

Россманом Г.И. — Введение, гл. 1, 2;

I. ВЛИЯНИЕ ТЕХНОГЕННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

ГЛАВА 1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Одна из важнейших задач оценки инженерно-геологических условий при разведке рудных месторождений — прогнозирование возможности, времени и места возникновения инженерно-геологических процессов и явлений, влияющих на работу добывающих предприятий и оказывающих воздействие как на окружающую среду, так и на геоэкологические условия горно-добывающего района в целом. Объектами прогнозов при этом служат разнообразные процессы и явления, в том числе техногенные, возникающие как на стадии разведки, так и в ходе эксплуатации рудных месторождений.

В этих условиях необходимо не только изучение особенностей формирования инженерно-геологических условий на рудных месторождениях горно-складчатых областей, но и оценка их изменений при техногенном воздействии. При этом необходимо рассматривать техногенное влияние на природные факторы, определяющие формирование инженерно-геологических условий рудных месторождений (структурно-тектонические условия, зоны и поверхности ослабления, физико-механические свойства, напряженно-деформированное состояние, обводненность). Требуется также оценка самих техногенных процессов, например, техногенного выветривания. Поскольку в земной коре под влиянием деятельности человека происходят изменения, сопоставимые с природными геологическими процессами и явлениями, часто необратимые и требующие огромных затрат для восстановления природного равновесия, техногенным процессам следует уделять повышенное внимание.

Одна из важнейших сторон техногенного воздействия на окружающую среду — извлечение из недр земли полезных ископаемых открытыми и подземными горными выработками. При этом происходит изменение гидродинамических, гидрохимических, термодинамических условий, состояния массива горных пород, структуры газовых полей и др. Эти изменения приводят к возникновению и развитию инженерно-геологических процессов и явлений, снижающих устойчивость подземных и открытых горных выработок. К ним, в частности, относится техногенное выветривание.

В настоящее время на абсолютном большинстве сульфидных месторождений, приуроченных к горно-складчатым областям, при техногенном воздействии (проходка горных выработок, водопонижающие мероприятия) на природные воды и породы в районе отработки рудных тел увеличивается аэрированность горных массивов. Это происходит за счет искусственного доступа кислорода и изменения температурно-влажностного режима, что приводит к интенсификации процессов окисления.

Совокупное действие природных и техногенных факторов на рудных месторождениях вызывает изменение состава и кислотности подземных вод, увеличивая их агрессивность не только к горным породам и рудам (изменяя их физико-механические свойства и снижая их устойчивость), но и к горно-техническому оборудованию. Все эти процессы осложняют условия эксплуатации горных предприятий и оказывают отрицательное воздействие на окружающую среду горно-добывающего района.

Абсолютное большинство исследований по проблеме техногенного воздействия на эксплуатируемых рудных месторождениях посвящено изучению жидкой фазы. Отмеченная диспропорция создала необходимость более детального изучения твердой фазы — пород и руд.

Как отмечалось ранее, наиболее распространенным техногенным процессом на эксплуатируемых рудных месторождениях является техногенное выветривание, специально исследовавшееся авторами в массиве и лабораторных условиях с целью предупреждения отрицательных последствий его влияния на условия эксплуатации месторождений и воздействия на окружающую среду.

Для решения проблемы техногенного воздействия на породы, руды и подземные воды необходимо решение следующих задач:

• изучение условий и причин возникновения и развития техногенных процессов,
• изучение механизма, физической природы и закономерностей развития техногенных процессов,
• разработка принципов прогнозирования интенсивности техногенных процессов,
• определение мероприятий по предупреждению, ослаблению и ликвидации техногенных воздействий.

Эти задачи наиболее полно исследованы авторами применительно к процессу техногенного выветривания, методические основы изучения которого и представлены в данном разделе работы.

Анализ исследований, в том числе других авторов [9], позволил заключить, что техногенное выветривание — процесс, обусловленный нарушением природных условий, изменением температуры и влажности воздуха, взаимодействием растворов с твердыми минеральными веществами, основными агентами которого являются вода, кислород, углекислый газ, микроорганизмы [5].

Достоверный прогноз процесса техногенного выветривания не может быть осуществлен без режимных наблюдений за твердой и жидкой фазами, без изучения устойчивости массива пород и руд на месторождении и без количественной оценки техногенных и природных факторов, полученной с помощью вещественного лабораторного моделирования.

В связи с этим изучение и прогноз процесса техногенного воздействия на сульфидных месторождениях можно разделить на два этапа: а) изучение процесса непосредственно в массиве пород и руд, б) лабораторное изучение процесса.

С этой целью разработана методика вещественного лабораторного моделирования процесса техногенного выветривания скальных, полускальных пород и руд с детальным изучением твердой фазы.

Разработанная методика лабораторного вещественного моделирования процесса техногенного выветривания на рудных месторождениях, основанная на детальном анализе условий его возникновения и развития, позволяет обосновать критерии геологического подобия и условия соответствия при моделировании указанного процесса.

Вариации режима взаимодействия пород разных генетических типов с растворами разного состава, их кислотности и сравнительный анализ физико-механических свойств пород до и после взаимодействия позволили расшифровать особенности механизма процесса техногенного выветривания.

Повышение достоверности получения результатов свойств пород в процессе техногенного выветривания обеспечивалось использованием комплекса современных методов (геомеханических, геофизических, растровой электронной микроскропии, рентгенографии, специальных петрографических), позволивших оценить изменения минерального состава, структуры и трещиноватости (природной и техногенной) пород.

Ступенчатая предварительная нагрузка образцов пород дала возможность создавать искусственную трещиноватость различной интенсивности. Эта методическая особенность подготовки образцов позволила моделировать техногенную зональность, возникающую вокруг горных выработок после их проходки. Использование режима взаимодействия растворов с породой непосредственно под нагрузкой и без нее сделало возможным моделирование величины перераспределенного напряженно-деформированного состояния пород в техногенных зонах: разгрузки и опорного давления [20].

ГЛАВА 2. ОСОБЕННОСТИ ОЦЕНКИ ПРИРОДНОЙ И ТЕХНОГЕННОЙ ТРЕЩИНОВАТОСТИ ПОРОД И РУД

Влияние разрывной тектоники на формирование техногенных зон

Наиболее актуальны на сегодняшний день проблемы формирования техногенных зон и полей напряжений на рудных (особенно сульфидных) месторождениях горно-складчатых областей. Поскольку они характеризуются интенсивным и неравномерным проявлением дизъюнктивной тектоники, процесс техногенного выветривания на них широко распространен и требует детального изучения, оценки и прогноза.

Характер изменения поля напряжений вокруг выработок зависит от совокупного воздействия связанных между собой факторов, [20], подразделяют на четыре группы:

• пространственно-геометрические параметры подземных горных выработок (сечение, ширина, длина, форма, близость соседних выработок),
• деформационные показатели пород, окружающих выработку,
• характеристики начального поля напряжений, т.е. до проходки выработок,
• воздействие воды, кислорода воздуха, температуры на породы и руды вокруг выработок в процессе их проходки и эксплуатации.

Акустические шахтные исследования, проведенные в различных горно-складчатых регионах, показали, что основным фактором неоднородности массива служит разрывная тектоника различного порядка. При этом установлено, что мощность техногенных зон существенно увеличивается вблизи тектонических нарушений, причем последние характеризуются зонами дробления с различной степенью измельчения пород, которая в свою очередь зависит от напряженно-деформированного состояния и генетического типа пород на конкретных участках горно-складчатой структуры.

Результаты проведенных шахтных акустических исследований в подземных горных выработках месторождений, например, Зыряновского горно-добывающего района, показали (рис. 1, 2), что минимальная мощность (m = 10 — 15 см) техногенной зоны пониженных напряжений (зоны разгрузки) на контуре горной выработки наблюдается в прочных массивных микрокварцитах при скорости продольных волн 4,8 — 5,1 км/с. Малая мощность данной зоны и высокие значения скорости продольных волн (V_{\text{р}}^{\text{м}}) в этих породах определяются массивной сливной структурой и повышенным содержанием кварца. Сравнительно близкие значения мощности характеризуемой техногенной зоны наблюдаются у порфиритов (m = 20 — 25 см), тогда как скорость продольной волны у этих пород в массиве значительно меньше и составляет 3,2 — 3,3 км/с, что обусловлено повышенной эндогенной и искусственной трещиноватостью, возникшей в результате буровзрывных работ. Близкие значения мощности данной техногенной зоны в габбро-порфиритах (m = 25 — 30 см) при V_{\text{р}}^{\text{м}} = 4,5\text{км}/\text{с} и кремнистых алевролитах (m = 25 — 30 см) при V_{\text{р}}^{\text{м}} = 3,9 - 4,1\text{км}/\text{с} обусловливаются наличием аналогичной техногенной трещиноватости этих пород, возникшей после проходки выработки.

нагружением в динамическом режиме (искусственные растворы)

Пониженные значения скорости продольных волн в кремнистых алевролитах обусловлены их структурно-текстурными особенностями, т.е. наличием природных поверхностей ослабления — сланцеватостью, слоистостью, полосчатостью. Увеличению мощности техногенной зоны разгрузки в этих породах (до 70 — 80 см, V_{\text{р}}^{\text{м}} = 3,0 - 3,2\text{км}/\text{с} способствует тектоническое нарушение на контуре горной выработки, зоны дробления которого выполнены кремнистыми алевролитами (рис. 3).

горных выработок с учетом тектонических нарушений

В пределах участков, сложенных рудами, мощность зоны пониженных напряжений практически не меняется и составляет 30 — 40 см, что определено генезисом самих руд. Но скорость продольной волны при этом изменяется от 2,3 — 2,7 км/с до 4,2 — 4,3 км/с, что обусловлено технологическим типом руд, их структурно-текстурными особенностями и составом. В массивных рудах, где часто наблюдаются пустоты выщелачивания, размером иногда до нескольких сантиметров, скорость минимальная, а в плотных прожилковых и вкрапленных рудах — максимальная.

Как показывает анализ представленных материалов, мощность техногенной зоны пониженных напряжений (зоны разгрузки), формирующейся на контуре горной выработки, зависит прежде всего от наличия неоднородностей в массиве. Они представлены в первую очередь тектоническими нарушениями с различной степенью дробления пород, эндогенной и техногенной трещиноватостью, обусловленной буровзрывными работами и в меньшей степени — структурно-текстурными особенностями пород и руд.

Мощность зоны повышенных напряжений (опорного давления) вокруг подземных горных выработок, как показывают полученные данные, колеблется в широких пределах — от 40 — 60 см до 160 — 180 см, что связано с индивидуальными характеристиками каждой зоны.

Скорость продольных волн в массиве по этой зоне максимальна для всех характеризуемых типов пород и руд на исследованных месторождениях Зыряновского рудного узла (Рудный Алтай) [10].

Акустические исследования проводились и на участках проявления процесса техногенного выветривания, где дополнительная неоднородность массива возникает как результат активного взаимодействия агрессивных растворов с породой и рудами.

Особенности оценки техногенной трещиноватости в пределах техногенных зон, ее влияние на интенсивность техногенных процессов

Наибольшая активность процесса техногенного воздействия в пределах зоны опорного давления наблюдается на участках повышенной природной и техногенной трещиноватости пород и руд, особенно в пределах тектонических нарушений — непосредственно в пределах зон тектонического дробления и в зонах повышенной природной трещиноватости и рассланцевания, прилегающих к ним. К этим же участкам приурочены зоны повышенной разноориентированной техногенной трещиноватости. Искусственно повышенные напряжения в зоне опорного давления способствуют увеличению упругих контактов в породах и смыканию открытых трещин природного и техногенного генезиса, что и обусловливает высокие скорости продольных волн. Необходимо отметить, что различная ориентировка трещин (это наиболее характерно для техногенных трещин) относительно нагрузки, наоборот, способствует их раскрытию.

Так, например, скорость продольных волн в массивных микрокварцитах, порфирах, прожилковых рудах максимальна — 6,5 — 8,7 км/с, так же как и мощность самой зоны — 150 — 180 см, а в алевролитах и массивных рудах с максимальным количеством техногенных и природных трещин скорость волн заметно снижается — 3,5 — 5,5 км/с, а мощность зоны составляет 100 — 120 см.

В процессе шахтных исследований на различных участках пород и руд установлено, что в пределах зоны повышенных напряжений акустический сигнал наименее искажен. Это положение определяет повышенный интерес к зоне опорного давления с точки зрения исследования состояния массива.

Трещины чисто техногенного характера, т.е. возникшие в результате буровзрывных работ как в зоне пониженной, так и повышенной трещиноватости выявить крайне затруднительно. Это связано с тем, что они развиваются по потенциально ослабленным поверхностям различного генезиса (тектоническим, литогенетическим и др.).

В зоне развития процесса техногенного выветривания возникает достаточно большое количество искусственных трещин. Их генезис связан с процессом выщелачивания природного заполнителя (если он есть). Вектор напряжений, направленный близко к перпендикулярному простиранию трещин, способствует их раскрытию, а процесс техногенного выщелачивания — еще большему раскрытию. Это положение подтверждается исследованиями трещин до и после взаимодействия с рудничными растворами, которые проводились с помощью радиоэлектронного микроскопа (РЭМ) по специально разработанной методике, которая позволяет количественно оценить изменение трещинной и поровой пустотности твердой фазы и, следовательно, механизм и физическую природу изменения физико-механических свойств пород в процессе их взаимодействия с растворами [2].

Основным источником информации на стадии разведки является керн скважин. Из-за высокой анизотропии пород рудных месторождений как по состоянию, так и по свойствам одни и те же техногенные процессы будут оказывать на них существенно различное воздействие. При количественном прогнозе изменения (во времени и пространстве) инженерно-геологических условий влияние техногенных факторов на показатели, определяющие эти условия, существенно повышаются.

Определение мощности зоны техногенного влияния в керне (зона разгрузки керна) необходимо проводить при насыщении образцов керна, так как именно мощностью этой зоны в образце керна будет определяться активность процесса проникновения и взаимодействия активных растворов с породой.

Особенности количественной оценки трещиноватости пород и руд при вещественном лабораторном моделировании техногенного процесса

Вокруг подземных горных выработок, как указывалось ранее, в результате их проходки буровзрывным способом образуются техногенные зоны (зона разгрузки и зона опорного давления), характеризующиеся повышенной трещиноватостью.

С целью создания искусственных трещин в образцах пород при лабораторном моделировании процесса техногенного выветривания необходимо проводить их предварительное нагружение. Оно должно производиться в два этапа, моделирующих интенсивность искусственной трещиноватости в двух техногенных зонах — разгрузки (повышенной трещиноватости) и опорного давления (пониженной трещиноватости).

В проведенных исследованиях до взаимодействия с раствором образцы подвергались на первом этапе нагружению в 25% от разрушающего, на втором — 50%. Для наиболее прочных разновидностей пород величина предварительного нагружения доводилась до 60% с целью превышения предела упругости этих пород. По результатам сравнительных акустических исследований и данным РЭМ трещинная пустотность увеличилась на первом этапе на 15 — 20% (зона опорного давления), на втором — на 30 — 40% (зона разгрузки).

Сравнительная оценка акустических показателей в массиве и показателей, получаемых в образцах пород под нагрузкой, отбираемых по подземным скважинам в тех же интервалах, что и в массиве, позволяет более достоверно оценить трещинную пустотность образцов.

Проведенные исследования показывают, что при предварительном нагружении образцов пород (трещиноватых порфиритов и песчаников Рудного Алтая) на величину 25 и 50% происходит резкое снижение их прочностных свойств (на 70 — 75%) в первые 5 — 10 суток взаимодействия с растворами.

Анализ результатов, где представлено изменение прочности на сжатие предварительно нагруженных (25 и 50%) образцов пород показывает, что как на первом, так и на втором этапах нагружения более интенсивное снижение прочности происходит у трещиноватых порфиритов, т.е. пород, имеющих прочность при сжатии в воздушно-сухом состоянии на 25 — 30% выше, чем у песчаников. Этот факт объясняется высокой хрупкостью порфиритов, основную часть петрографического состава которых составляют твердые породообразующие кварц-полевошпатовые минералы с полнокристаллическими микроструктурами (типа гиподиаморфно-зернистых). С повышением величины предварительного нагружения (до 50%) это свойство порфиритов проявляется в еще большей степени, что выражается в более интенсивном снижении прочности на первых этапах взаимодействия с агрессивными растворами (pH = 2,7 — 3,4).

Песчаники, имеющие в своем составе менее твердые породообразующие минералы, оказываются не столь прочными при испытании в воздушно-сухом состоянии. Вязкость песчаников определяется не только петрографическим составом, но и их структурно-текстурными особенностями.

Таким образом, повышенная хрупкость порфиритов обусловливает более активное возникновение искусственных трещин и микротрещин в образце породы, что повышает трещинную пустотность породы и способствует снижению угла внутреннего трения и величины сцепления по указанным поверхностям ослабления различного порядка. На первых этапах взаимодействия с кислыми или нейтральными растворами щелочных металлов (Cs, K, Na, Li, катионы которых по величине существенно отличаются друг от друга), возникает «расклинивающий эффект» различной интенсивности, что и определяет степень снижения прочности данного типа пород [7].

Методы оценки трещиноватости пород в массиве и образце при техногенном воздействии

Структура большинства рудных месторождений характеризуется наклонным залеганием рудных тел. Таким образом, скважины, пробуренные для уточнения контуров рудных тел и структуры месторождения, будут искривлены в плане и разрезе. Следовательно, достоверно оценить ориентировку зон повышенной трещиноватости и тектонических нарушений крайне затруднительно.

В связи с этим на ряде рудных месторождений различных горно-складчатых регионов были проведены работы по изучению зон повышенной трещиноватости и тектонических нарушений с использованием комплекса методов: телефотокаротажа, акустического каротажа, кавернометрии, фотодокументации. Работы проводились по поверхностным и подземным скважинам, подземным и открытым горным выработкам.

Примененный комплексный подход с использованием нескольких методов оценки трещиноватости пород позволил более обоснованно выделить сложные в инженерно-геологическом аспекте участки зон разломов и повышенной трещиноватости.

При анализе вида кривой каротажа установлено, что величина амплитуды волн непосредственно в зоне дробления тектонического нарушения изменяется не столь значительно, как в зонах повышенной трещиноватости. Это связано с технологией проведения работ по акустическому каротажу.

При каротаже зон повышенной трещиноватости акустический контакт в точке снятия замера будет более плотный, нежели в зоне дробления. При замере скорости волны в слабонарушенной породе в зоне повышенной трещиноватости деформации стенок скважины непосредственно под ультразвуковым датчиком практически не наблюдается, так как степень его прижатия меньше величины сцепления по трещинам и, следовательно, датчик не углубляется в стенку скважины.

Анализ образования техногенных зон при проходке подземных горных выработок, карьера или бурении скважин, проведенный авторами, показал, что определяемый в различных условиях акустический показатель, даже с учетом масштабного фактора, включающего природную неоднородность и трещиноватость пород, имеет определенную ошибку, и его сравнение для различных геолого-структурных условий носит относительный характер, так как мощность и интенсивность искусственной трещиноватости в техногенных зонах выработок, карьеров и скважин существенно различаются.

Совместный анализ результатов телефотокаротажа (ТФК), акустического каротажа (АК) и кавернометрии позволяет не только достаточно достоверно идентифицировать зоны дробления и повышенной трещиноватости с оценкой ориентировки систем трещин, но и классифицировать их по значениям скоростей распространения продольных волн [13].

Таким образом, комплексное использование ТФК, АК и кавернометрии гарантирует достаточно достоверное инженерно-геологическое изучение трещиноватости массива пород, что обеспечивает качество прогнозной инженерно-геологической оценки условий эксплуатации рудных месторождений.

Использование геофизических методов при оценке природной и техногенной трещиноватости позволило авторам установить следующее:

• использование ТФК особенно эффективно при выделении природных и техногенных зон дробления; достоверность выделения этих зон подтверждается результатами документации подземных и открытых горных выработок,
• с увеличением сложности инженерно-геологических условий участка или месторождения в целом снижается сходимость результатов оценки трещиноватости, полученных с помощью геофизических методов, а также документации керна, подземных и открытых горных выработок, что определяется геолого-структурными особенностями массива пород и руд месторождения,
• совместный анализ результатов распространения продольных волн, полученных с помощью акустических методов, метода телефотокаротажа и кавернометрии на рудных месторождениях, не затронутых эксплуатацией, позволяет проводить детальное расчленение толщи пород по составу и степени трещиноватости, выявлять зоны тектонических нарушений, что в конечном итоге способствует повышению достоверности инженерно-геологических прогнозов условий эксплуатации разведуемого месторождения,
• в подземных выработках близкого сечения мощность техногенных зон пониженных и повышенных, а также «естественных» напряжений (в зонах, не затронутых технологией проходки) зависит от неоднородности массива, состава и структурно-текстурных особенностей пород и руд, степени их трещиноватости, мощности тектонических нарушений, величины пустот выщелачивания и характера литологических контактов.

ГЛАВА 3. ПЛИКАТИВНАЯ ТЕКТОНИКА, ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА ФОРМИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ И ИНТЕНСИВНОСТЬ ТЕХНОГЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

Влияние интенсивности проявления пликативной тектоники на формирование напряженно-деформированного состояния, дробление пород в пределах зон тектонических нарушений и их водопроводимость

В настоящее время накоплен значительный экспериментальный материал, свидетельствующий о сложном характере распределения напряжений в массиве пород. Вместе с тем закономерности изменчивости поля напряжений изучены недостаточно, что сказывается на достоверности инженерно-геологических прогнозов, особенно на рудных месторождениях, приуроченных к самым разнообразным по возрасту горно-складчатым регионам.

При оценке напряженного состояния массивов горных пород на рудных месторождениях важны не только региональные значения напряжений (для различных горно-складчатых регионов), но и поля напряжений, связанные с локальными тектоническими структурами (складками, разломами и др.), влияние которых на величину и характер распределения естественных напряжений на отдельных участках массива пород может оказаться определяющим.

Так, например, для древней антиклинальной структуры Урала, состоящей в основном из изверженных пород, характерна величина напряжений, недостаточная для образования глинистой составляющей («глинки трения») заполнителя тектонических нарушений. Поэтому разломы Урала, имеющие в основном щебенчатый заполнитель, водопроницаемы.

В то же время, на месторождениях Заилийского Ала-Тоо, приуроченных к наиболее молодой из существующих — Альпийской зоне складчатости, разломы закальматированы «глинкой трения» различной мощности и водонепроницаемы.

Напряженное состояние массива горных пород обусловлено не только гравитационными, но и в значительно большей степени тектоническими силами, действовавшими на массив на разных этапах рудных месторождений, абсолютное большинство которых приурочено к горно-складчатым регионам различного геологического возраста.

При этом тектоническое силовое поле отличается от гравитационного значительно большей сложностью в связи с крайней изменчивостью проявления складчатых процессов различного порядка как в пространстве, так и во времени.

Основная задача оценки напряженного состояния массива пород на рудном месторождении состоит в том, чтобы установить общие закономерности его изменения, оценить вариации изменения компонентов поля напряжений и установить их причины, дать прогноз изменения параметров поля напряжений с глубиной и по простиранию при проходке горных выработок.

Так, например, оценка компонентов поля напряжений в отдельных элементах пликативной тектоники большинства рудных месторождений горно-складчатых регионов показывает, что горизонтальные составляющие сжимающих напряжений существенно превышают вертикальные. Такой вывод наиболее актуален для рудных месторождений с крутопадающей разрывной тектоникой, так как он позволяет оценить состояние заполнителя разломов и устойчивость последних в горных выработках.

Особенности формирования напряженно-деформированного состояния в пределах техногенных зон, его оценка в процессе лабораторного моделирования техногенного выветривания

Рудные месторождения горно-складчатых областей характеризуются высокой изменчивостью состояния и свойств самих массивов пород или их отдельных участков. Такая изменчивость обусловливается интенсивным проявлением складчатой и разрывной тектоники различного порядка.

В связи с этим существенно возрастает значимость получения наиболее достоверных результатов оценки напряженного состояния массива пород экспериментальными методами. При этом необходимо учитывать, что достоверность определения напряженного состояния пород массива акустическим методом — наиболее мобильным и высокопроизводительным, связана с оценкой степени влияния трещиноватости пород на скорость упругих волн.

Решение этой задачи применительно к оценке напряженного состояния массива пород в техногенных зонах, прилегающих к горным выработкам, вдвойне актуально. Одна из важных задач инженерно-геологических исследований — оценка техногенных процессов, возникающих и активно развивающихся вокруг выработок в районах, осложненных проявлением искусственной трещиноватости различной интенсивности, с наличием техногенной зоны опорного давления, где показатели напряженного состояния часто выше показателей массива, не затронутого влиянием проходки самой выработки.

Использование методики И.А. Турчанинова позволяет определить вертикальные и горизонтальные составляющие напряженно-деформированного состояния как в «естественном» массиве, так и в зонах влияния проходки выработки.

Так, например, для руд различного состава (халькопирит-сфалеритового, сфалерит-галенитового, халькопирит-пиритового), а также различного технологического типа (полосчатые, массивные, вкрапленные) Малеевского месторождения Рудного Алтая вертикальная составляющая напряженного состояния вне зоны влияния выработок оказалась равна 11 \cdot 10^{6}\text{Па} , для порфиритов — 10 \div 16 \cdot 10^{6}\text{Па} , для кремнистых алевролитов — 8 \div 12 \cdot 10^{6}\text{Па} . В среднем вертикальная составляющая для всех типов пород и руд на исследованном участке месторождения равняется 12 \cdot 10^{6}\text{Па} .

Горизонтальная составляющая напряженного состояния для руд вне зоны влияния выработок равняется 10 \div 18 \cdot 10^{6}\text{Па} , для порфиритов — 16 \div 18 \cdot 10^{6}\text{Па} , для кремнистых алевролитов — 13 \div 15 \cdot 10^{6}\text{Па} . В среднем горизонтальная составляющая всех типов пород и руд на исследованном участке месторождения равна 15 \cdot 10^{6}\text{Па} .

Наименьшие значения величин горизонтальных и вертикальных составляющих напряженного состояния приурочены к техногенным зонам повышенной трещиноватости (зонам разгрузки), а в техногенных зонах пониженной трещиноватости (зонах опорного давления) величины этих составляющих практически равны величинам зон «естественного» массива или могут быть незначительно ниже или выше тех.

Таким образом, анализ приведенных выше результатов дает возможность заключить, что на исследуемых глубинах Малеевского месторождения, участки которого приурочены к моноклинально падающему крылу синклинальной складки и контакту с сульфидными телами, горизонтальные составляющие напряженного состояния выше вертикальных.

Изучение состояния и акустических свойств керна вместе с анализом кривых каротажа и прозвучивания подземных скважин показало, что с определенной долей достоверности можно не только выделить техногенные зоны вокруг выработок, но и оценить поле напряжений.

Поскольку один из параметров (длина) одиночных выработок, где проводились акустические исследования, во много раз превышает два других, объемная задача по вычислению компонента поля напряжений может быть сведена к плоской, т.е. к рассмотрению составляющих напряжений вокруг поперечного сечения выработки.

Полученные результаты показывают, что степень равномерности начального поля напряжений определяет размеры зоны влияния выработок, в данном случае — выработок сводчатого сечения.

Так, например, вертикальная составляющая поля руд, порфиритов и кремнистых алевролитов в зоне пониженных напряжений в 1,5 — 1,6 раза ниже, чем вне зоны влияния выработок, а горизонтальная составляющая — в 1,7 — 1,9 раз, исключая участки, примыкающие к тектоническим нарушениям. В зоне повышенных напряжений величины горизонтальных и вертикальных составляющих близки к компонентам напряжений вне зоны влияния выработок. Для участков изверженных пород (порфиритов) они в 0,1 — 0,2 раза выше, а для осадочных (алевролитов) и руд — в 0,1 — 0,2 раза ниже, чем в «естественном» массиве.

Определение деформационных показателей по образцам, отобранным в подземных скважинах в тех же интервалах, в которых была определена скорость продольных и поперечных волн в массиве, позволило сравнить динамический модуль упругости и коэффициент Пуассона, полученные при ультразвуковых измерениях в массиве, в том числе и в зонах техногенного влияния выработки, со статическими показателями, определенными при лабораторных испытаниях. Сравнительные данные подтверждают выводы, полученные рядом исследователей [1], согласно которым динамический модуль упругости в массиве всегда больше статического. При этом максимальный разброс значений наблюдается в зоне разгрузки над выработкой, минимальный — в зоне повышенных напряжений.

При пересечении выработкой тектонического нарушения общая мощность техногенных зон достигала 8 — 10 м в зависимости от мощности зон дробления последнего.

Результаты определения величин продольных волн в образце и массиве показали высокую сходимость благодаря тому, что они устанавливаются по первому вступлению, которое, как правило, четко фиксируется на экране прибора УК-10П, используемого при определении данного показателя как в массиве, так и в образце.

Методы оценки напряженно-деформированного состояния в пределах техногенных зон в массиве с характеристикой его при моделировании процесса техногенного выветривания

Способы определения естественных напряжений в массиве горных пород, в окрестностях выработок и в целиках по физическим принципам, на которых они основаны, подразделяются на [20]:

• способы, в основе которых лежит оценка параметров различных технологических процессов горного производства, изменяющихся в зависимости от степени естественной напряженности массива,
• деформационные способы, в основе которых лежит измерение деформаций пород с последующим вычислением действующих напряжений,
• компенсационные способы определения действующих напряжений в массиве горных пород, заключающиеся в первоначальном снятии и последующем искусственном восстановлении напряжений на участке массива,
• геофизические способы измерения напряжений в массиве горных пород, которые основаны на взаимосвязи параметров различных искусственно наводимых физических полей с естественным напряженным состоянием.

Авторами использовались и рекомендуются геофизические способы, отличающиеся, как правило, высокой мобильностью и производительностью. Кроме того, параметры напряженного состояния, получаемые этими методами, обычно характеризуют существенно большие объемы массива по сравнению с методами других групп.

Среди геофизических способов, использованных авторами, наиболее полно разработан импульсный ультразвуковой метод измерения напряжений. Он основан на взаимосвязи сейсмических характеристик (скорости и затухания упругих волн, возбуждаемых в массиве) с напряженным состоянием горных пород. Для количественной оценки напряжений в породном массиве используют эффект скоростной анизотропии пород при их нагружении. Сущность этого эффекта состоит в том, что для большинства пород с возрастанием давления увеличивается скорость упругих продольных волн. При этом рост скорости происходит по тому же направлению, что и увеличение нагрузки, тогда как в других направлениях эти изменения весьма незначительны [13].

Для количественной интерпретации результатов измерений проводят лабораторные определения скоростной анизотропии на образцах пород, отобранных в точках измерения в массиве, и строят градуировочные графики (рис. 4). В натурных условиях в зависимости от неоднородности массива измерения ведут на частотах около 100 КГц по схеме прозвучивания в трех подземных скважинах. Для измерений в массиве и лабораторных условиях используют переносные ультразвуковые дефектоскопы с автономным питанием, где продольная волна фиксируется по первому вступлению, что обусловливает высокую сходимость результатов исследований.

продольной волны от напряжения

На каждом месторождении с отличными от других геолого-структурными характеристиками определение оптимальной базы прозвучивания массива пород между скважинами необходимо проводить отдельно. Для этого выбираются расходящиеся по глубине подземные скважины одного диаметра, расположенные в однородных породах. При этом базы предполагаемого прозвучивания должны изменяться от минимальной величины, например 0,2 м, до максимальной, например 4 м. Проверка однородности пород, прозвучиваемых в массиве, осуществляется установлением равенства скоростей продольных волн в образцах, отобранных в точках прозвучивания по глубине расходящихся скважин. Так, в результате аналогичных работ на полиметаллическом месторождении Малеевское (Рудный Алтай) было установлено, что оптимальная база прозвучивания между скважинами для массива пород данного месторождения составляет 45 см.

Расстояние между приемником и излучателем при профилировании горизонтальных скважин составляло 20 см, шаг инженерно-геологического опробования керна и шаг акустических замеров равнялись 80 см, что определялось детальностью исследований при решении поставленных задач по изучению процесса техногенного выветривания в техногенных зонах. Глубина подземных скважин при этом достигала 12 м, что было обусловлено мощностью техногенных зон в условиях пересечения тектонических нарушений различного порядка выработкой.

ГЛАВА 4. ОСОБЕННОСТИ ВЛИЯНИЯ СОСТАВА ПОРОД И РУД НА ИХ СВОЙСТВА ПРИ ТЕХНОГЕННОМ ВОЗДЕЙСТВИИ

Влияние петрографических особенностей пород (состав, структура, текстура, вторичные изменения, микротрещиноватость) на их свойства при техногенном воздействии

Физико-механические свойства пород зависят от их минерального состава, структуры, текстуры, вторичных изменений, трещиноватости [4]. Установление зависимости физико-механических свойств пород от перечисленных и других факторов способствует более достоверному прогнозу свойств пород и сокращению объемов инженерно-геологического опробования. Анализ этой зависимости осложняется неоднородностью пород, обусловленной их трещиноватостью, изменчивостью минерального состава и структурно-текстурных особенностей.

Выявление зависимости между физико-механическими свойствами и петрографическими особенностями обычно основано на анализе шлифов, отобранных в различных частях пробы. Такая оценка прочности пород по разведочному керну служит основой прогнозирования свойств пород на месторождениях. В пробе суммарная длина образцов керна, испытываемых на разрыв и сжатие классическими методами с учетом требований ГОСТа 21153.0-75 и 21153.7-75, в зависимости от диаметра керна колеблется в диапазоне 150 — 250 см. Количественная петрографическая характеристика в пределах таких проб существенно меняется, особенно для вмещающих пород рудных месторождений, где наблюдается крайне неравномерное проявление вторичных процессов. Коэффициент вариации при подсчете среднего значения показателя прочности непосредственно рудовмещающих пород достаточно часто превышает 30%. Поэтому распространение на всю пробу установленных лишь для ее определенных частей количественных взаимоотношений между компонентами петрографического состава, а также между петрографическими особенностями пород и их прочностными свойствами достаточно условно.

Чтобы выявить влияние петрографических особенностей и микротрещиноватости пород на их прочность при разрыве, авторами была использована специальная методика, позволяющая свести к минимуму влияние неоднородности и анизотропии породы в пробе (ГОСТ 21153.4-75).

Исследования предусматривали разрыв образца с двумя плоскопараллельными гранями высотой 20 мм методом раскалывания соосными клиньями по двум взаимно перпендикулярным направлениям, а для осадочных пород — параллельно и перпендикулярно слоистости (сланцеватости, отдельности), и получение по этим направлениям значений прочности при разрыве.

Помимо изучения влияния структурно-текстурных особенностей и микротрещиноватости на прочность пород при раскалывании исследовано качественное влияние этих факторов, которое характеризуется формой линии разрыва. При испытаниях было отмечено, что с увеличением осевой нагрузки на образец, как правило, возрастала извилистость линии разрыва, т.е. проявлялось интенсивное влияние петрографических особенностей (структуры, текстуры, минерального состава, вторичных изменений) и микротрещиноватости на прочность пород при разрыве. Таким образом, степень извилистости линий разрыва различных типов пород, «увязанная» со значениями прочности пород при раскалывании, показывает, насколько важно точно ориентировать образец, чтобы учесть анизотропию породы относительно прилагаемой осевой нагрузки. В противном случае разброс значений при определении прочности на разрыв резко возрастает, т.е. достоверность показателя, характеризующего прочность в заданном направлении, существенно снижается.

Исследования проводились на алевролитах, известняках, сланцах, туфолавах, песчаниках, магнетитовых и железистых кварцитах, кварцевых порфирах, порфиритах и гранитах. При этом по указанной специальной методике изготовлено и исследовано более 200 шлифов.

Особенности методики подготовки пород и руд с целью определения свойств до и после техногенного воздействия

Результаты определения свойств пород в процессе моделирования техногенного выветривания показывают, что прочностные показатели снижаются крайне неравномерно. Наиболее активно прочность снижается в трещиноватых породах независимо от их генезиса. Несколько меньшее влияние на активность снижения прочности оказывает кислотность растворов, еще меньшее влияние — генезис пород.

При этом снижение прочности как на сжатие, так и на разрыв, установленное в процессе лабораторных исследований, происходит в несколько этапов (3 — 4) в зависимости от нарушенности пород, их состава, а также состава и pH растворов (рис. 5).

I этап — прочность пород, особенно в сильнокислых растворах, снижается до 50 — 60%, причем наиболее активно в трещиноватых и рассланцованных породах. Это связано с тем, что в данный период резко уменьшается величина сцепления по поверхностям ослабления различного генезиса, причем чем больше количество поверхностей ослабления различного генезиса в породе, тем значительнее величина снижения прочности на этом этапе.

Таким образом, снижение прочности пород на первом этапе определяется увеличением трещинной пустотности на 25 — 30%, т.е. ослаблением структурных связей по поверхностям ослабления, изменением характера этих связей. Величина снижения сцепления здесь определяется количеством трещин, их генезисом, составом и мощностью заполнителя.

II этап — прочность пород в сильнокислых растворах снижается на 5 — 10%, причем наиболее активно в породах с карбонатной составляющей. На этом этапе влияние степени трещиноватости на снижение свойств не так заметно, как на первом, что связано с тем, что на этом этапе происходит вынос вещества по трещинам и из кристаллической решетки минералов, т.е. увеличивается межагрегатная пористость на 5 — 7%. Именно этим объясняется снижение прочности на данном этапе.

III этап — прочность пород, даже в сильнокислых растворах, снижается всего на 3 — 5%, что значительно меньше, чем на первых двух этапах. Это связано с тем, что увеличение межагрегатной пористости и трещинной пустотности крайне незначительное — всего на 1 — 2%, а при отсутствии в породе трещин различного генезиса и легкорастворимых минералов увеличения межагрегатной пористости и трещинной пустотности практически не происходит. Это объясняется тем, что во вновь образованных пустотах в зависимости от состава пород и растворов образуются новые минеральные составляющие. Интенсивность процесса образования новых минеральных образований определяется степенью увеличения трещиноватости пород и межагрегатной пористости.

IV этап — прочность породы резко уменьшается, и происходит разрушение всех ее структурных связей (на 10 — 15%). При этом, если в трещинах или порах не произошло образование новых минералов, процесс разрушения происходит более активно.

Анализ результатов лабораторного моделирования техногенного выветривания, проведенного авторами, позволяет выделить следующие особенности изменения прочностных свойств пород:

• на снижение прочностных, упругих и водно-физических свойств пород максимально влияют кислые растворы (pH = 2,7 — 3,4) сульфатного состава; основную роль в этом случае играет интенсивность проявления природной и техногенной трещиноватости пород; при взаимодействии пород с указанными растворами увеличиваются трещинная пустотность и межагрегатная пористость в максимальной степени, что приводит к увеличению общего числа дефектов в кристаллической структуре и ослаблению структурных связей по поверхностям ослабления,
• характер взаимодействия образцов пород с раствором определяется первичным составом последнего,
• при воздействии кислых растворов на сульфидсодержащие породы, руды и бетон, используемый для крепления неустойчивых участков горных выработок, наблюдается вынос кальция, натрия и магния; в связи с этим участки месторождения, где отмечается выход кислых растворов, необходимо закреплять химически стойким бетоном и проводить гидроизоляционные работы.

По указанной ранее методике определения прочности на разрыв и сжатие на отдельных образцах, имеющих общую контактную поверхность, авторами было проведено определение показателя прочности на разрыв после взаимодействия с растворами различной кислотности (pH = 2,8 — 4,8). После определения прочности на разрыв части цилиндрического образца были склеены, а в местах склеивания были изготовлены прозрачные шлифы по тем же плоскостям, что до взаимодействия с раствором, с целью выявления изменений. Шлифы характеризовали минеральный состав породы после 30 — 35 суток взаимодействия с агрессивным раствором в статическом режиме (замедленной фильтрации) или 60 — 65 суток — в динамическом режиме.

Анализ полученных результатов позволил установить следующие закономерности изменения прочности пород на разрыв после взаимодействия с агрессивными растворами:

• максимальное снижение прочности на разрыв в зоне приложения нагрузки определяется наличием микротрещин различного генезиса и минералов, твердость которых резко отлична от твердости основной массы минералов,
• величина снижения прочности определяется размером, формой и возможным заполнителем микротрещин и пустот, их ориентировкой относительно приложения нагрузки,
• резкое изменение извилистости линий разрыва обусловлено весьма существенным снижением величины сцепления как по микротрещинам, так и по контактам между зернами породообразующих минералов,
• снижение прочности на разрыв также определяется количеством, характером и видом вторичных минералов, образовавшихся после взаимодействия с раствором в зоне испытаний,
• после взаимодействия с активными растворами в зоне приложения нагрузки возникают микротрещины, отсутствовавшие на этих участках породы до взаимодействия с раствором и определяющие величину снижения ее прочности.

Результаты изучения механизма изменения прочности различных генетических типов пород при взаимодействии с кислыми растворами непосредственно под нагрузкой позволяют установить следующие особенности (рис. 6):

• интенсивность снижения прочности пород увеличивается в десятки раз при взаимодействии с кислыми растворами непосредственно под нагрузкой: у осадочных пород в 20 — 25 раз, у изверженных — в 12 — 15 раз; у отдельных типов карбонатных пород интенсивность снижения прочности, связанная с растворением, существенно зависит от структурно-текстурных особенностей пород, состава и pH взаимодействующих растворов, наличия искусственной трещиноватости,
• предварительное ступенчатое (25, 50, 60% от разрушающего) нагружение образцов различных типов пород, обусловливающее образование искусственной трещиноватости, увеличивает интенсивность снижения прочности пород в 2 — 6 раз в зависимости от ступени предварительного нагружения,
• изменение величины непосредственного нагружения (10, 20, 30% от разрушающего), обусловливающее изменение сжимающих напряжений в зоне опорного давления, в зависимости от интенсивности проявления пликативной и разрывной тектоники на участках проходки горных выработок в горно-складчатых регионах увеличивает интенсивность снижения прочности пород в 5 — 10 раз,
• результаты проведенных исследований подтвердили принцип Рикке, согласно которому упругий материал, подверженный воздействию какого-либо растворителя в зоне сжимающего напряжения, растворяется активнее в области максимального напряжения, а продукты растворения мигрируют в область с минимальным напряжением.

при нагружении от pH

Таким образом, метод физико-механических испытаний частично обработанных образцов полуправильной формы (ГОСТ 21153.4-75) позволил применить специальную методику, позволяющую установить качественное и количественное влияние структуры, текстуры, минерального состава, вторичных изменений и трещиноватости различного генезиса на прочность пород на разрыв при ее определении до и после взаимодействия пород с растворами различного химического состава и pH.

Методы контроля изменения состояния и свойств пород при техногенном воздействии (спецпетрографические, рентгеноскопические, акустические, радиоэлектронная микроскопия)

Исследования методом растровой электронной микроскопии (РЭМ) дают возможность выявлять изменения в микростроении (петрографических особенностях, в том числе поровой и трещинной пустотности, и микротрещиноватости) скальных пород при их взаимодействии с растворами различного химического состава и кислотности. Увеличение в 1000 раз, получаемое на растровом электронном микроскопе, позволяет решать такие задачи.

Авторами был проведен ряд исследований в этой области, в том числе сравнительный анализ образцов, подвергавшихся взаимодействию различной длительности с растворами и не подвергавшихся вовсе. Эти исследования позволили оценить влияние рудных растворов на изменение трещинной и поровой пустотности и минерального состава пород во времени и при различных режимах взаимодействия (динамическом и замедленной фильтрации). Исследовавшиеся образцы имели техногенные трещины, образовавшиеся в ходе бурения керна и при раскалывании цилиндрических плашек, поэтому, чтобы исключить или оценить техногенное влияние при подготовке образцов были также отслежены изменения микростроения и минерального состава пород в каждом образце от края к центру. Для решения этой проблемы была разработана специальная методика подготовки образцов пород для исследований до и после взаимодействия с раствором (см. выше) [2].

Использование метода испытаний частично обработанных образцов полуправильной формы (ГОСТ 21153.4-75) в исследованиях процесса техногенного выветривания позволило разработать методику специальных петрографических исследований. Эти исследования дают возможность установить качественное и количественное влияние петрографических особенностей пород на их прочность до и после взаимодействия с растворами различного химического состава и кислотности. Эта методика дает также возможность эффективно использовать и другие современные методы, например, растровую электронную микроскопию.

Основная задача метода рентгеноскопии при исследовании процесса техногенного выветривания в комплексе с РЭМ — изучение минеральных новообразований, оказывающих влияние на величины трещинной и поровой пустотности и, соответственно, на прочностные свойства пород после их взаимодействия с растворами различного химического состава и pH.

Акустические методы позволяют оценить техногенное влияние не только в образце, но и в массиве. В исследованиях массива, проведенных авторами, они позволили выявить техногенную зональность и количественно оценить показатели напряженного состояния пород (см. рис. 1). При лабораторном моделировании процесса техногенного выветривания акустические методы позволяют достоверно оценить искусственную трещиноватость, образовавшуюся в образцах пород и руд при предварительном нагружении, моделирующем техногенную зональность.

При этом немаловажное значение использование акустических методов имеет при оценке величин перераспределенного напряженного состояния пород в техногенных зонах при моделировании процесса взаимодействия рудничных растворов с породой непосредственно под нагрузкой.

Таким образом, использование различных методов контроля за изменением свойств и состоянием пород при изучении техногенного влияния на них может быть наиболее эффективным. Применив акустические, специальные петрографические методы, а также методы растровой электронной микроскопии и рентгеноскопии, авторы установили, что основными факторами снижения прочности различных генетических типов пород и руд являются природная и искусственная трещиноватость, ее интенсивность и ориентировка относительно постоянно действующей нагрузки. Последний фактор немаловажен, поскольку раскрытие трещин под действием нагрузки способствует более активному проникновению растворов, их взаимодействию с породой и, как следствие, снижению величины сцепления и угла внутреннего трения по поверхностям ослабления различного генезиса, определяющим величину прочности пород.

ГЛАВА 5. ИЗМЕНЕНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ПОДЗЕМНЫХ ВОД ПРИ ТЕХНОГЕННОМ ВОЗДЕЙСТВИИ С ОЦЕНКОЙ ВЛИЯНИЯ МИКРОФЛОРЫ, КИСЛОТНОСТИ ВОД И РЕЖИМА ИХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С ПОРОДАМИ

Формирование химического состава и кислотности подземных вод на сульфидных месторождениях при техногенном воздействии

Совокупное воздействие различных природных и техногенных факторов в районах горных выработок, в том числе на сульфидных месторождениях, вызывает изменение состава и кислотности подземных вод, увеличивая их агрессивность не только по отношению к горным породам и рудам (изменяя их физико-механические свойства и снижая их устойчивость), но и к горно-техническому оборудованию. Эти процессы осложняют условия эксплуатации горных предприятий, а дренаж кислых вод оказывает отрицательное воздействие на окружающую природную среду и, в частности, на геоэкологические условия горно-добывающего района. Оно может проявляться при влиянии шахтных вод на поверхностные при неполной защите последних.

Как показали исследования на рудных месторождениях, агрессивные рудничные воды по составу представлены двумя типами — щелочными и кислыми. Первые приурочены, как правило, к месторождениям, генетически связанным со щелочными магмами, и в сравнении с кислыми рудничными водами встречаются редко. Поэтому в данной работе рассматриваются в основном кислые рудничные воды, широко распространены и формирующиеся практически на всех месторождениях сульфидных руд.

Кислые рудничные воды представляют собой одно из наиболее ярких техногенных образований, имеющих жесткую пространственно-временную привязку.

Рудничные воды образуются с началом эксплуатации месторождения, их состав формируется в условиях комплексного изменения состояния горного массива. Схематически этот ряд (по В.З. Рубейкину) можно представить следующим образом: извлечение полезного ископаемого \rightarrow водоотбор из горных выработок \rightarrow понижение статических уровней подземных вод \rightarrow образование депрессионной воронки \rightarrow рост действительных скоростей перемещения подземных вод к центру воронки \rightarrow аэрация массива осушенных пород (естественная и принудительная) \rightarrow дробление и «ослабление» горного массива \rightarrow активизация гипергенных процессов \rightarrow образование новых по составу типов подземных и поверхностных вод \rightarrow активизация микробиологических процессов окисления сульфидов \rightarrow окисление и разложение рудо- и породообразующих минералов.

Анализ многочисленных данных показывает, что при прочих равных условиях особо агрессивные рудничные воды формируются при разработке медно-колчеданных, медно-полиметаллических и полиметаллических месторождений. Они обнаружены на Урале, Рудном Алтае, Дальнем Востоке, в Красноярском крае и Киргизии. Такие воды выделены В.И. Вернадским в самостоятельный класс в его систематике природных вод.

Процесс образования кислых рудничных вод изучен на сегодняшний день недостаточно полно, хотя теоретические основы и описание их приводятся в многочисленных публикациях. Систематизация имеющихся материалов позволяет заключить, что наиболее полные сведения относятся к уже сформировавшимся кислым рудничным водам.

К сожалению, эти воды привлекали внимание гидрогеохимиков и инженеров-геологов лишь на завершающих стадиях формирования состава, т.е. максимальной агрессивности, когда начинали затруднять добычу, причиняя горно-рудному производству серьезный материальный ущерб.

Как показал анализ материалов, состав рудничных вод на промежуточных стадиях их формирования от начала разработки месторождения практически не изучен: фактические данные приводятся редко и плохо сопоставимы, не обеспечены методически и весьма слабо поддаются интерпретации. Опубликованные фактические данные однозначно свидетельствуют о том, что разработка сульфидных месторождений, т.е. нарушение природных условий, обусловливает формирование подземных вод аномального состава — в нашем случае кислых рудничных вод.

В течение первых 7 — 10 лет состав вод изменяется постепенно, а характер и интенсивность этих изменений определяются конкретными условиями месторождения (составом и состоянием полезного ископаемого и вмещающих его пород, структурно-тектоническими и гидрогеологическими условиями месторождения, его положением в определенной ландшафтно-климатической зоне).

Фактический материал, полученный на эксплуатируемых сульфидных месторождениях указанных горно-складчатых регионов, показывает, что, выделяясь резко аномальным составом на общем гидрогеохимическом фоне, рудничные воды в пределах самого месторождения чрезвычайно разнообразны по составу, который очень часто в одной и той же выработке, на расстоянии в один или несколько метров меняется от ультракислого сульфатного до нейтрального или слабощелочного. Это дает возможность хотя бы косвенно проследить связь между составом рудничных вод и особенностями преобразования породо- и рудообразующих минералов, с которыми эти воды связаны. Правда, в этом случае достаточно сложно оценить роль времени взаимодействия в системе «вода-минерал» или «вода-порода».

Кислые сульфатные рудничные воды — продукт окисления и разложения рудообразующих сульфидов. В определенных условиях в процесс интенсивного сернокислотного окисления и разложения вовлекаются и значительные объемы непосредственно рудовмещающих пород. При этом состав рудничных вод достаточно четко отображает активность и глубину взаимодействия их с рудой и рудовмещающими породами. К сожалению, пока этот вопрос в гидрогеохимии самостоятельно не рассматривался, хотя косвенные данные в некоторой степени позволяют обозначить его отдельные стороны [11]. Еще раз следует отметить, что вышесказанное относится к тем месторождениям, в структуре которых карбонатные породы отсутствуют или развиты очень ограниченно.

Таким образом:

• величина pH кислых рудничных вод не может быть единственным показателем агрессивности этих вод по отношению к рудо- или породообразующим минералам,
• степень окисления руды может быть выражена уровнем содержания в рудничных водах главных рудообразующих элементов, эти показатели, кроме того, находятся в тесной корреляционной связи с величиной pH рудничных вод,
• степень разложения рудных минералов выражается содержанием в рудничных водах комплекса элементов, входящих в состав рудных минералов в виде акцессорных и изоморфных примесей и не зависящих от величины pH этих вод.

Указанные положения подтверждаются большим фактическим материалом по конкретным рудным месторождениям, собранным при участии В.З. Рубейкина и Г.Д. Волкова (1983), много лет постоянно сотрудничавших с В.И. Кузькиным при проведении лабораторных и полевых исследований по проблеме техногенного выветривания в горных выработках. Приведенные положения справедливы и для рудовмещающих алюмосиликатных пород при условии, что количества рудничных вод достаточно для того, чтобы они могли распространяться за пределы рудных тел. Особенностью состава таких кислых рудничных вод следует считать преобладание катионов алюминия, железа, магния и марганца, соотношение между которыми (в % экв.) зависит от минералогического состава рудовмещающих пород. Глубокое разложение породообразующих минералов часто фиксируется появлением в рудничных водах резко аномальных содержаний редких и рассеянных элементов таких, как цирконий, галлий, бериллий, ванадий, олово и др., связанных металлогенической специализацией данной территории (по данным В.З. Рубейкина).

В обобщенном виде приведенный ранее схематический ряд рудничных вод на разных стадиях их формирования, предложенный В.З. Рубейкиным при изучении процесса техногенного выветривания как в полевых, так и в лабораторных условиях, достаточно обоснован и подтвержден практикой.

Разнообразие и специфика рудовмещающих горных пород отображаются в микрокомпонентном составе рудничных вод на конечной стадии их формирования.

Влияние кислотности подземных вод (с микрофлорой и без нее) на интенсивность процесса техногенного выветривания (растворение и «расклинивающий эффект»)

Наиболее отчетливо влияние кислотности подземных вод на снижение прочности пород наблюдается при моделировании процесса техногенного выветривания под общей непосредственной нагрузкой (10 — 20 — 30% от разрушающей) при pH растворов 1,7 \div 2,3 .

Изменение общей непосредственной нагрузки при проведении эксперимента обусловлено моделированием техногенной зоны опорного давления в подземных горных выработках для различных участков рудных месторождений в горно-складчатых регионах. Проявление пликативной и дизъюнктивной тектоники разного порядка при проходке горных выработок приводит к перераспределению горного давления в данной техногенной зоне в достаточно широких пределах, что подтверждено результатами исследований (см. гл. 3). Выбор агрессивных растворов при взаимодействии с породами обусловлен тем, что на исследованных участках преобладает колчеданное оруденение, при этом образцы пород пронизаны пирит-халькопиритовыми прожилками.

Проведенные исследования интенсивности снижения прочности пород непосредственно при нагружении и без предварительной нагрузки показывают, что механизм и природа изменения прочности для осадочных (с растворимой минеральной основой) и для изверженных (с кварц-полевошпатовой минеральной основой) пород принципиально отличны. В первом случае основное значение имеет процесс растворения минералов, входящих в структурную решетку породы, во втором — интенсивность трещиноватости, по которой проникают агрессивные растворы, снижающие величину сцепления по поверхностям трещин.

Образцы подвергались предварительному нагружению для оценки влияния искусственной трещиноватости на изменение прочности пород при взаимодействии с агрессивными (pH = 1,7 — 2,3) растворами непосредственно при нагружении. Ввиду того, что генетические типы пород имеют различный показатель хрупкости, обусловливающий в процессе буровзрывных работ возникновение различного количества искусственных трещин, предварительное нагружение образцов пород проводилось ступенчато: 25, 50 и 60% от разрушающей нагрузки.

Максимальное влияние интенсивность искусственной трещиноватости при непосредственной нагрузке оказывает на прочность изверженных пород (порфиритов, порфиров). Так, например, если при проведении эксперимента без непосредственного нагружения, но с предварительной нагрузкой образец порфирита сохранял остаточную прочность, равную 30 — 50%, на 5 — 10 суток (в зависимости от величины предварительной нагрузки), то при моделировании процесса непосредственно под нагрузкой за это же время (в зависимости от величины предварительной нагрузки) образец полностью терял свою несущую способность (pH = 1,5 — 1,7 \text{Р}_{\text{об}} = 30\% ). Показатель хрупкости образца порфирита после взаимодействия с раствором достиг минимума, и данная изверженная порода при определении прочности достаточно часто подвергалась смятию.

В изверженных породах без природных трещин при изменении их прочности превалирующее значение имеет наличие искусственных микротрещин. Снижение величины сцепления и угла внутреннего трения по искусственным микротрещинам связано с активным увеличением трещинной пустотности образца под действием постоянной нагрузки. Это способствует резкому снижению прочности породы в первые же сутки взаимодействия с раствором. При наличии наряду с искусственной трещиноватостью видимых природных трещин, особенно выполненных пиритом с халькопиритом, происходит активный процесс растворения рудных минералов. В случае малого количества искусственных микротрещин превалирующее значение имеют эти видимые природные трещины, определяющие снижение прочности породы в процессе ее взаимодействия с агрессивными растворами (pH = 1,5 — 1,7).

Определенные особенности снижения прочностных свойств в указанных параметрах моделирования процесса наблюдаются у известняков. В начале взаимодействия с агрессивными растворами прочность пород как на сжатие, так и на разрыв, снижается интенсивно, затем резко замедляется, что обусловлено кальматацией трещин вновь образованными минералами, выделениями их по поверхности образца пород в целом (см. рис. 5).

При взаимодействии пород с кислыми растворами в различных режимах (динамическом, замедленной фильтрации) с предварительным нагружением и без него, как правило, в начальный период взаимодействия резко снижается прочность. Сопоставление кривых изменения прочности пород с химическими анализами растворов показало, что между снижением прочности и выходом в раствор компонентов выщелачивания нет прямой зависимости. Поэтому причина резкого снижения прочности пород в начальный период взаимодействия их с растворами не получила достаточно аргументированного объяснения. Можно предполагать, что на прочностные характеристики пород в этот период взаимодействия оказывает влияние некоторый дополнительный фактор, роль которого в последующем снижается. Из теории процессов на поверхностях раздела твердой и жидкой фаз, в частности, следует, что водные растворы солей с концентрациями менее 0,1 М, взаимодействуя с микрокристаллами, способны увеличивать расстояние между ними (С.С. Ваюцкий, 1975). Речь идет о так называемом расклинивающем давлении, впервые открытом, изученном и измеренном Б.В. Дерягиным (1935 г.).

Экспериментальная проверка данного предположения, проведенная авторами, заключалась в следующем. Однородные образцы хрупкой высокомодульной породы были подвергнуты предварительной нагрузке (25% от разрушающей) с целью создания искусственной трещиноватости. Затем образцы керна поместили в растворы солей щелочных металлов: CsCl, KCl, NaCl, LiCl и после 20-дневного взаимодействия определили их прочность.

Анализ результатов показывает, что наименьшая прочность оказалась у образцов, взаимодействовавших с растворами литиевых солей. Можно также констатировать определенное соответствие последовательности снижения прочности образцов, выдерживавшихся в солевых растворах различных щелочных металлов, порядку уменьшения атомных масс и соответственно, ионных радиусов этих металлов [7].

На рудных месторождениях при наличии подземных горных выработок с техногенными зонами расклинивающий эффект будет иметь место не только на участках рудных тел совместно с процессом выщелачивания, но и вдали от рудных тел, где процесс техногенного выветривания протекает наименее активно и присутствуют в основном нейтральные подземные воды.

Результаты проведенных исследований отражают именно расклинивающий эффект, проявление которого будет наиболее активно при взаимодействии пород с растворами солей, характеризующихся минимальным ионным радиусом. Именно размеры сольфатной оболочки являются главным фактором, с которым связано проявление расклинивающего эффекта в тонких трещинах, в том числе разноориентированных искусственных, возникших в породах в результате буровзрывных работ в техногенных зонах на контуре подземных горных выработок.

Особенности влияния режима взаимодействия подземных вод на интенсивность процесса техногенного выветривания

Активность проявления техногенного влияния, в том числе и техногенного выветривания, при разработке сульфидных месторождений, особенно подземным способом, определяется в первую очередь геолого-структурными природными условиями: интенсивностью проявления дизъюнктивной и пликативной тектоники, степенью раздробленности пород, разнообразием сульфидных минералов и особенностями их расположения в массиве, разнообразием проявления вторичных процессов, изменяющих свой минеральный состав, а следовательно, и физико-механические свойства.

Цель лабораторного вещественного моделирования — количественная и качественная оценка степени влияния различных факторов на процесс техногенного выветривания для учета их в дальнейшем при его прогнозе. Необходимым условием реализации моделирования служит доказательство подобия выбранной модели и оригинала. Доказательство базируется на разработанных применительно к процессу техногенного выветривания критериях подобия вещества, структурного подобия модели и оригинала, теплового, гидродинамического и геологического подобия [8].

Необходимо отметить, что авторами лабораторное моделирование процесса техногенного выветривания проводилось как в динамическом режиме взаимодействия с растворами, так и в статическом режиме или режиме замедленной фильтрации, который характеризует процесс техногенеза на малых глубинах.

Сравнение результатов изменения прочности пород на сжатие и разрыв во времени в динамическом режиме и режиме замедленной фильтрации при прочих равных условиях (идентичности химического состава и pH-растворов, ступеней предварительного нагружения, генезиса пород и руд, интенсивности природных трещин, формы и размеров образцов) показывает, что интенсивность снижения прочности в первом случае всегда выше, чем во втором.

Моделирование техногенного выветривания при различных режимах взаимодействия с растворами позволило рассмотреть механизм данного процесса с позиций механики скальных пород, основываясь на сравнительном анализе прочностных свойств изверженных, осадочных и метаморфических пород с различной интенсивностью природной и искусственной трещиноватости до и после их взаимодействия с растворами разного химического состава и кислотности.

Авторами была оценена достоверность результатов, полученных при изучении свойств пород в обоих режимах их взаимодействия с растворами в процессе моделирования техногенного выветривания. Высокая достоверность результатов, проведенных исследований была достигнута за счет использования целого комплекса методов оценки твердой и жидкой фаз (геомеханических, геофизических, растровой электронной микроскопии, рентгеноскопии, специальных петрографических, геохимических). В связи с этим полученные данные об изменениях минерального состава, структуры и трещиноватости пород можно считать достаточно точными.

ГЛАВА 6. ОБВОДНЕННОСТЬ И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА ОЦЕНКУ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПРИ ТЕХНОГЕННОМ ВОЗДЕЙСТВИИ

Обводненность техногенных зон на участках разломов с учетом их зональности

Обводненность горных выработок на рудных месторождениях, т.е. величина водопритока и ее изменение во времени зависит:

• от наличия источника питания подземных вод, количества водных ресурсов, изменчивости или постоянства их во времени,
• от водопроводимости пород, перекрывающих полезное ископаемое.

Низкая водопроводимость отложений препятствует питанию подземных вод, что снижает водопритоки в горные выработки. Хорошо водопроницаемые породы создают благоприятные условия питания, и срабатываемые естественные запасы подземных вод восполняются, что приводит к формированию повышенных величин водопритоков.

Большая роль в обводнении горных выработок в массивах и их деформаций в период освоения и эксплуатации принадлежит тектоническим нарушениям различного порядка, особенно локальным разломам, сериям трещин без смещения пород. Они обусловливают повышенную линейную водопроводимость пород на фоне слабопроницаемых или почти монолитных массивов.

В самой тектонической зоне, особенно на участке дробления, породы обладают хаотической проницаемостью. Это связано с тем, что величины напряженного состояния в различных частях горно-складчатого массива, сложенного различными по составу породами, существенно изменяются. В одних случаях величина напряженного состояния достаточна для того, чтобы перетереть породу по плоскостям смещения в разломе до глинистого состояния, что кальматирует зону тектонического нарушения, в других — величина напряжений достаточна лишь для доведения пород в зоне разлома до щебенчатого или обломочного состояния. Все это приводит к тому, что зоны водопроницаемости на участках развития разрывной тектоники имеют сложное строение как по простиранию, так и по глубине.

Так, например, регион Урала является древней складчатой структурой, характеризующейся сравнительно небольшими величинами напряженного состояния. Это обусловило то, что в большинстве тектонических нарушений зоны дробления выполнены глыбово-щебенчатым заполнителем, что делает эти разломы водопроницаемыми.

Горно-складчатый регион Заилийского Ала-Тоо — молодой горно-складчатый регион, где подвижки по тектоническим нарушениям продолжаются и в настоящее время, причем величины составляющих напряженного состояния здесь значительно выше этих же показателей в Уральском регионе. Поэтому зоны дробления тектонических нарушений Заилийского Ала-Тоо в большинстве своем выполнены глинисто-щебенчатым и глинистым заполнителем, что обусловливает кальматацию разлома как по простиранию, так и по глубине.

Массивы трещиноватых скальных и полускальных пород анизотропны по своим фильтрующим свойствам и в целом слабопроницаемы, вследствие чего вокруг дренирующих горных выработок развиваются сравнительно некрупные депрессионные воронки. В условиях ограниченных площадей инфильтрационного питания в пределах депрессионных воронок и малых естественных запасов подземных вод в трещиноватых скальных и полускальных породах водопритоки не могут формироваться в больших количествах.

Окислительно-восстановительный потенциал на контакте руда-порода и его влияние на техногенный процесс

Разрушение горных пород и, как следствие, — изменение их физико-механических свойств и состояния самого массива — многофакторный процесс, важнейшим звеном которого выступают физико-химические взаимодействия в системе «вода-порода». Окислительно-восстановительные реакции, лежащие в основе физико-химических взаимодействий, обусловлены переносом электронов в электрохимических системах вод и породы.

В связи с тем что реакции окисления сульфидов идут с выделением энергии, в зоне окисления сульфидных месторождений должно наблюдаться увеличение окислительно-восстановительного потенциала (ОВП).

При этом с учетом данного положения на колчеданных месторождениях с большим развитием дисульфидов значения ОВП должны снижаться более активно, чем на полиметаллических месторождениях. Исходя из указанных теоретических предпосылок, по методике, разработанной [8], возможно определение поверхностного ОВП твердой и взаимодействующей с ней жидкой фаз одновременно с конечной целью — прогноз развития процесса техногенного выветривания в искусственно аэрируемых массивах.

Принципиально новый момент в разработанной методике — интерпретация получаемых величин ОВП. Ранее считалось, что величины ОВП, получаемые при установлении равновесия в системе «горная порода — раствор», относятся к жидкой фазе, а твердая фаза служит только донором (поставщиком) электроактивных (потенциал задающих) элементов. Проведенные экспериментальные исследования с различными типами пород и руд указанных ранее месторождений показали, что такое понимание процесса возникновения ОВП в гальваническом элементе, помещенном в систему «раствор-порода», недостаточно верно. Горные породы (твердая фаза) имеют присущий только им окислительно-восстановительный потенциал, возникающий на поверхности породы при контакте с водой. Соотнося величину данного ОВП с водородной шкалой, возможно, предположительно говорить о потенциале поверхности твердой фазы [8]. Одной из областей применения величины ОВП взаимодействующих фаз можно считать, например, определение и в дальнейшем — прогноз агрессивности вод шахт, карьеров и других горных выработок по отношению к рудовмещающим породам и металлическим конструкциям.

Автор использует результаты экспериментальных исследований по определению ОВП с методическими особенностями интерпретации этих данных, разработанных В.А. Щека (1990 г.). Несмотря на полученные интересные и обоснованные результаты в дальнейшем необходимо принципиальное совершенствование технологической схемы эксперимента.

Проведенные эксперименты позволяют отнести электрохимические показатели ( E_{h} - pH , \Delta pH , \Delta E_{h} ) горных образований и подземных вод к важнейшим параметрам прогноза физико-химических изменений, происходящих в горных выработках. Следовательно, они являются одним из важных параметров при прогнозе техногенного выветривания, возникающего при вскрытии сульфидных месторождений.

Данные исследований ОВП использованы по объектам, для которых проведено лабораторное вещественное моделирование процесса техногенного выветривания (с использованием пород и подземных вод того же объекта). Комплексное использование в лабораторных исследованиях двух методов, прогнозирующих изменения различных показателей процесса техногенного выветривания (в одном случае pH, в другом — ОВП) для конкретных типов руд и пород нескольких участков одного и того же месторождения, повышает достоверность прогноза процесса техногенного выветривания в целом.

ГЛАВА 7. ПРОГНОЗНАЯ ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ТЕХНОГЕННОГО ПРОЦЕССА НА ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ СУЛЬФИДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ И ОБЪЕКТОВ, НЕ СВЯЗАННЫХ С ДОБЫЧЕЙ (С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДА АНАЛОГИИ И ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ)

Проведение специальных прогнозных инженерно-геологических оценок на сульфидных месторождениях показало, что, как правило, разведуемые месторождения расположены в непосредственной близости от эксплуатируемых (подземным или открытым способом). Они приурочены к одному геолого-структурному блоку, который характеризуется весьма близкими значениями показателей природных факторов, определяющих условия эксплуатации.

В основе специального крупномасштабного типологического прогнозирования на разведуемом месторождении лежат представления о «раздельно-блочном» строении массива. При этом в качестве основных факторов, определяющих сложность инженерно-геологических условий или устойчивость к техногенному воздействию месторождения или его участков, рассматриваются трещиноватость массива, минеральный состав и физико-механические свойства пород и руд, состав, строение и свойства заполнителя тектонических нарушений, обводненность массива пород; НДС массива, ориентировка выработок относительно основных систем трещин [8].

Количественные параметры этих факторов используются в многопараметрических геомеханических классификациях Э. Бенявски (1969, 1989 гг.), Н.С. Булычева (1982 г.), Н. Бартона (1974 г.) и в методе комплексной оценки инженерно-геологических условий отработки месторождений на основе системного анализа (Т.К. Бондарика, В.В. Пендина, 1982 г.). Этот метод и классификации используются при прогнозировании сложности инженерно-геологических условий и устойчивости к техногенному воздействию конкретных рудных месторождений в различных горно-складчатых регионах.

В связи с тем, что вблизи разведуемого месторождения, как правило, находится эксплуатируемое месторождение, особое значение имеет использование для прогнозной оценки сравнительно-геологического метода (метода аналогии). Он позволяет не только использовать количественные параметры природных факторов, но и оценивать техногенные процессы, проявляющиеся на эксплуатируемых месторождениях и изменяющие природные условия и условия отработки объекта в целом.

Изучение техногенных процессов на эксплуатируемых месторождениях показало необходимость техногенного изменения природных факторов таких, как свойства и трещиноватость пород и руд, напряженно-деформированное состояние массива, состав и кислотность подземных вод, обводненность массива в целом и др. Именно в совершенствовании методики количественной оценки указанных факторов, в выявлении степени и характера техногенного влияния на них авторы видят основную перспективу при решении проблемы прогнозирования инженерно-геологических условий рудных месторождений [8].

Различные техногенные процессы возникают не только на рудных месторождениях, но и на гражданских объектах, не связанных с добычей полезных ископаемых (рис. 7). К таким объектам можно отнести, например, Северо-Муйский тоннель и кольцевые тоннели УНК (Протвино). Недостаточная геологическая, а следовательно, и инженерно-геологическая, гидрогеологическая, геоэкологическая изученность обусловили развитие на данных объектах техногенных процессов, значительно осложнивших условия проходки тоннелей. Главным образом это связано с тем, что на предпроектной стадии не были учтены многие количественные показатели. Например, прочность пород, один из основных факторов, определяющих устойчивость подземных тоннелей, была недостаточно достоверно оценена.

Как показали результаты экспертной оценки указанных объектов, на предпроектной стадии было недостоверно с геолого-структурных позиций изучено состояние ослабленных геодинамических зон. Несмотря на отсутствие агрессивных подземных вод (в отличие от рудных месторождений) в результате отрицательного воздействия проходки состояние ослабленных геодинамических зон претерпели серьезные изменения, что оказало влияние, в том числе и на своды тоннелей. Это сильно затруднило дальнейшую проходку и вызвало дополнительные временные и финансовые затраты.

Эти примеры лишний раз доказывают необходимость получения на предпроектной стадии достоверных сведений о геологических и инженерно-геологических условиях отработки месторождений и эксплуатации объектов, не связанных с добычей полезных ископаемых.

Подобные сведения необходимы для прогнозирования инженерно-геологических условий эксплуатации рудных месторождений и строительства гражданских объектов не только с учетом природных факторов, но и техногенных процессов, что обеспечивает создание блоковой модели объекта с различными инженерно-геологическими условиями отработки [12] и определение необходимых предпроектных данных (рис. 8, 9).

	Почвенно-растительный слой
	Элювиально-делювиальные отложения
	Лейкократовые мелко- и среднезернистые гнейсы. Гранулиты
	1. Амфиболит-биотитовые, биотитовые гнейсы. 2. Биотит-амфиболитовые гнейсы
	1. Амфибол-биотитовые, биотитовые сланцы. 2. Биотит-амфиболитовые сланцы
	Эпидот-пироксен-гранат-амфиболитовая порода-скарны-зоны скарнирования
	Лейкократовые граниты, аплиты
	Гибридные порфиры
	Диабазовые порфириты
	Гранодиорит-порфиры
	Диоритовые порфириты, кварцево-диоритовые порфириты, лампрофиры
	Фельзиты, фельзитовые и кварцевые порфиры
	Лейкократовые субщелочные гранит-порфиры
	Гигантопорфировидные граниты, гранит-порфиры
	Кварц-карбонат-сульфидные жилы и прожилки
	Тектонические нарушения
	Зоны кварц-карбонат-сульфидной минерализации и гидротермально измененных пород при березитизации, березитов
	Геологические границы между возрастными и литологическими разностями пород
	Достаточно простые условия
	Достаточно сложные условия
	Сложные условия

РЕКОМЕНДАЦИИ

При изучении техногенного воздействия по оценке инженерно-геологических условий эксплуатации рудных месторождений рекомендуются по приведенной методике исследования следующих природных факторов:

• оценка природной и техногенной трещиноватости, ее учет при лабораторном изучении,
• оценка пликативной тектоники как фактора формирования напряженно-деформированного состояния, его учет при лабораторном изучении техногенного процесса,
• особенности влияния состава пород и руд на свойства при лабораторном изучении техногенного процесса,
• оценка изменения химического состава и кислотности подземных вод с целью изучения их влияния на интенсивность техногенного процесса,
• оценка величины водопритоков на изменения инженерно-геологических условий при техногенном воздействии.

Изучение техногенного воздействия на природные факторы как в массиве, так и в лабораторных условиях, позволяет провести прогнозную оценку влияния техногенного процесса на инженерно-геологические условия эксплуатации сульфидных месторождений и объектов, не связанных с добычей полезных ископаемых.

Интенсивность протекания техногенного процесса зависит от способа эксплуатации рудного месторождения, что и рекомендуется учитывать в первую очередь.

I вариант, открытый + подземный способ. При комбинированном способе вскрытия рекомендуется изучение техногенного воздействия на природные факторы (тектонические нарушения, их водопроводимость, состав и свойства пород и руд, изменение состава pH вод) проводить поочередно, с использованием опыта эксплуатации на месторождениях-аналогах. Основная рекомендация изучения техногенного воздействия при комбинированном способе вскрытия — начинать отработку месторождения открытым и подземным способом одновременно, что позволит свести к минимуму активность протекания техногенного процесса и его влияние на факторы, определяющие сложность инженерно-геологических условий эксплуатации или устойчивость массива пород месторождения.

II вариант, открытый способ эксплуатации. При эксплуатации месторождения карьером и оценке техногенного воздействия особое внимание следует уделить водопроводимости тектонических нарушений, изменению состава и pH подземных вод во времени и пространстве, составу и свойствам непосредственно рудовмещающих пород и руд. При наличии месторождений-аналогов использование опыта эксплуатации обязательно.

III вариант, подземный способ эксплуатации. При отработке месторождения подземным способом и оценке техногенного воздействия особое внимание рекомендуется уделить изучению тектонических нарушений, их мощности и степени дробления пород и руд в пределах разломов. Именно мощность тектонических нарушений обусловливает мощность техногенных зон вокруг подземных горных выработок на участке их пересечения. Степень дробления пород и руд в пределах тектонического нарушения определяет его водопроводимость и активность протекания техногенного процесса. При наличии месторождения-аналога использование опыта эксплуатации обязательно.

Рекомендации использования метода аналогии при изучении техногенного воздействия на природные факторы рудного месторождения обусловливаются степенью схожести геолого-структурных особенностей изучаемого месторождения и месторождения-аналога.

В связи с этим рекомендуется использовать несколько вариантов аналогии.

I вариант. Изучаемое месторождение и месторождение-аналог приурочены к одной и той же структуре, т.е. структуре одного порядка и находятся в одном рудном поле. В этом варианте они характеризуются близостью состава пород и руд, разрывной и пликативной тектоникой, гидрогеологическими условиями.

II вариант. Изучаемое месторождение и месторождение-аналог относятся к структурам разного порядка, но характеризуется близостью состава пород и руд, разрывной тектоникой и гидрогеологическими условиями.

III вариант. Изучаемое месторождение и месторождение-аналог относятся к одной мегаструктуре или расположены в пределах одной региональной складчатой структуры. В этом случае рекомендуется в первую очередь искать аналог по составу пород и минерального сырья, а также по интенсивности и характеру разрывной тектоники и гидрогеологическим особенностям.

Использование указанных вариантов аналогии будет определяться различной достоверностью оценки техногенного воздействия, что предопределяет последовательное использование приведенных вариантов, обусловливающих схожесть природных факторов при инженерно-геологической оценке условий эксплуатации рудного месторождения.

Таким образом, приведенные рекомендации и методика изучения техногенного воздействия на природные факторы позволяют достаточно достоверно провести прогнозную оценку инженерно-геологических условий эксплуатации рудного месторождения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Глушко В.Т., Ямщиков В.О., Яланский А.А. Геофизический контроль в угольных шахтах/Наукова думка: Киев, 1978.

2. Кузькин В.И., Волков Г.А., Павлов А.В. Результаты лабораторного моделирования процесса техногенного выветривания на полиметаллических месторождениях//Известия ВУЗов. Геология и разведка, 1987, № 9.

3. Кузькин В.И., Волков Г.А., Щека В.А. К вопросу развития техногенного выветривания на сульфидных месторождениях по результатам экспериментальных исследований/Доклад на Всесоюзном симпозиуме по кинетике и динамике геохимических процессов. Тр. ИЭМ АН СССР. Черноголовка, 1988.

4. Кузькин В.И. Изучение влияния петрографических особенностей на прочность пород при разрыве//Известия ВУЗов. Геология и разведка, 1982, № 4.

5. Кузькин В.И. Оценка инженерно-геологических условий месторождений сульфидных руд горно-складчатых областей на основе анализа тектонических структур и техногенных изменений. Диссерт./ВИМС, 1998.

6. Кузькин В.И., Пантелеев В.М., Волков Г.А., Рубейкин В.З. Влияние гидрогеохимической обстановки на прочностные свойства горных пород некоторых месторождений Зыряновского рудного узла/Тр. ВСЕГИНГЕО и ВИЭМС. Инженерная геология и гидрогеология, 1983.

7. Соболев В.И., Кузькин В.И. Влияние химического состава трещинных вод на прочность скальных пород//Отечественная геология, 1998, № 5.

8. Кузькин В.И., Ярг Л.А., Кочетков М.В. Методическое руководство по изучению инженерно-геологических условий рудных месторождений при разведке/М.: ВИМС, 2001. 153 с.

9. Афанасиади Э.И., Грязнов О.Н., Туман О.М./Инженерная геология, УГГГА, Екатеринбург: 1996. 174 с.

10. Вайтекунас А.К., Кашковский Г.Н., Кузькин В.И., Дончук А.А., Ярг Л.А., Белянин В.И. Методические рекомендации по изучению и прогнозу инженерно-геологических и гидрогеологических условий при разведке месторождений Юго-Западного Алтая. М.: ВСЕГИНГЕО, 1989, 105 с.

11. Воронкевич С.Д. О техногенно-геохимических системах в инженерной геологии//Инженерная геология, 1980, № 5. С. 3 — 13.

12. Каган А.А. Инженерно-геологическое прогнозирование/М.: Недра, 1984. 196 с.

13. Кузькин В.И., Криканов В.Н. Комплексное использование ТФК, АК и кавернометрии для оценки нарушенности массива при инженерно-геологических исследованиях/Матер. техн. научн. совета АН СССР по геофизике. М.: 1989. С. 17 — 19.

14. Кузькин В.И., Кочетков М.В., Ярг Л.А. Техногенное выветривание на рудных месторождениях/М.: Геоинформмарк, 1993. 22 с.

15. Левин А.С. Охрана геологической среды в горно-добывающих районах. Тр. ИГД им. А.А. Скочинского. Кохтла-Ярве: 1991. 320 с.

16. Ломтадзе В.Д. Инженерная геология месторождений полезных ископаемых/Л.: Недра, 1986.

17. Марков А.Б. Инженерно-геологические особенности тектонитов/Душанбе: изд-во «Дониш», 1977. 172 с.

18. Мойдолбеков Б.Д. Инженерно-геологические особенности дизъюнктивов Ак-Тюзского рудного поля/Диссерт. М.: 1989.

19. Смирнов Б.В. Теоретические основы и методы прогнозирования горно-геологических условий добычи полезных ископаемых по геологоразведочным данным/М.: Недра, 1976. 118 с.

20. Турчанинов И.А., Иофис М.А., Каспарьян Э.В. Основы механики горных пород/Л.: Недра, 1989. 488 с.

21. Шаумян Л.В. Природа физико-механических свойств массивов горных пород/М.: изд-во МГУ, 1988. 192 с.

22. Ярг Л.А. Изменение физико-механических свойств пород при выветривании/М.: Недра, 1974. 140 с.

23. Методические указания к экономическому обоснованию проектов разведочных кондиций на минеральное сырье/МПР РФ, ГКЗ, М.: 1995.

24. Положение о порядке проведения геолого-разведочных работ по этапам и стадиям/МПР РФ, ВИЭМС, 1999.

25. Кузькин В.И., Криканов В.Н. Использование акустических исследований для оценки свойств массива горных пород вблизи подземных горных выработок/Тр. ВИОГЕМ, Белгород: 1985, № 6.

II. ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ГОРНЫХ РАБОТ ПРИ РАЗВЕДКЕ

ГЛАВА 1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ

Рекомендации относятся к гидрогеологической части геолого-разведочного процесса на рудных месторождениях твердых полезных ископаемых.

Предлагаемые рекомендации ориентированы на рудные месторождения, разведуемые с применением горных работ с водоотливом.

Цель гидрогеологических работ при разведке месторождений твердых полезных ископаемых с применением горных выработок — обеспечение предпроектных и проектных решений по способам осушения месторождений, способам и очередности компенсации или предупреждения ущерба от водоотлива. Перечень задач предпроектного гидрогеологического обеспечения следует из директивных документов ГКЗ РФ [2, 7]. Выделяются следующие основные задачи:

• предпроектный и оперативный прогноз притока подземных вод к системам горных выработок,
• прогноз последствий длительного водоотлива из горных выработок и дренажных систем,
• рекомендации по способам отвода и утилизации дренажных вод,
• рекомендации по путям решения водоснабжения будущего горно-рудного предприятия.

Задачи оперативного гидрогеологического обеспечения действующих систем горных выработок (разведочных и эксплуатационных) решаются по правилам, разрешающим специальное водопользование и в соответствии с Основами водного законодательства РФ.

ГЛАВА 2. ОПЫТНО-ФИЛЬТРАЦИОННЫЕ НАБЛЮДЕНИЯ ПРИ ВОДООТЛИВЕ

Опытно-фильтрационные наблюдения при водоотливе (ОФН) рекомендуются как способ съема информации, необходимой для прогнозных расчетов водопритока. Следовательно, ОФН есть способ гидрогеологических опытно-фильтрационных исследований [1].

В комплекс ОФН входят два основных вида наблюдений:

• наблюдения за водопритоком в водоприемной системе,
• наблюдения за уровнем подземных вод за пределами водоприемной системы по сети наблюдательных скважин с поверхности.

Кроме этих основных видов наблюдений при необходимости производятся и другие, например, гидрогеологические — за поверхностными водотоками и водоемами, гидрохимические — за качеством сбросных вод, геокриологические и др. Что касается основных целей ОФН, то необходимой и достаточной является информация о характере и степени возмущения, а также информация о развитии депрессии, которая получается при указанных основных видах наблюдений.

Стационарные наблюдения в водоприемной системе

Наблюдения за режимом водопритока

При развитии водоприемной системы и при ее «сухой» консервации производятся непрерывные с принятой периодичностью наблюдения за общим водопритоком системы.

Цель этих наблюдений: а) получение информации о характере и степени возмущения, необходимой для последующей количественной интерпретации ОФН, б) служебная цель — контроль и оперативное регулирование производительности водоотливной системы (насосы, ставы и т.д.) по фактическому водопритоку.

Измерения общего водопритока чаще всего производятся:

• по производительности насосов,
• по заполнению емкости водоприемников,
• по сливу на поверхности с непрерывной ручной или автоматической регистрацией.

Наблюдения за режимом отдельных водопроявлений

Целью этих наблюдений является получение информации о состоянии осушения массива и источника водопритока. Такую информацию дают периодические измерения расхода, напора или положение уровня отдельных водопроявлений.

Стационарные наблюдения за уровнем подземных вод вне водоприемной системы

Цель данных наблюдений — получение информации о пространственно-временных изменениях уровня подземных вод под влиянием водоотлива из подземных выработок. В целом эти наблюдения заключаются в прослеживании развития воронки депрессии. Это достигается регулярными с принятой периодичностью замерами уровня подземных вод в наблюдательных скважинах заданного расположения.

наблюдательных скважин

Общим принципом для определения количества наблюдательных скважин и их размещения в пределах полигона служит равномерный охват депрессионной воронки.

При определении местоположения наблюдательных скважин необходимо руководствоваться тем соображением, чтобы ближние к водоприемным системам наблюдательные скважины не подсекались горными выработками, не выходили из строя, а служили бы весь период действия водоприемной системы.

Количество наблюдательных скважин зависит от схемы их рационального размещения, выраженной в приведенных Рекомендациях.

Поскольку сеть наблюдательных скважин не создается заведомо по одному проекту, определение качества скважин до начала работ не имеет существенного значения. Оно определяется по результатам наблюдений, а необходимость пополнения наблюдательной сети обосновывается при ежегодном проектировании объемов работ геолого-разведочных партий (ГРП). По опыту общее количество наблюдательных скважин в зависимости от размеров и времени действия водоприемной системы изменяется от 10 до 30.

Наблюдения за уровнем подземных вод

Стационарные наблюдения за пределами водоприемной системы включают замеры уровня, температуры подземных вод, отбор проб на различные виды анализа, но основные задачи гидрогеологической разведки решаются на основе информации о возмущенном уровенном режиме обводненного массива.

Одним из существенных вопросов проекта стационарных наблюдений является периодичность замеров. Проектируемая еженедельная или декадная частота замеров уровня обеспечивает необходимую детальность временных графиков уровня. Однако в сложных климатических, ландшафтных условиях, при глубоком залегании уровня обслуживание сетей из десятков наблюдательных скважин становится серьезной работой, требующей оптимизации ее объемов [1].

ГЛАВА 3. ОБРАБОТКА И ИНТЕРПРЕТАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ОПЫТНО-ФИЛЬТРАЦИОННЫХ РАБОТ

Схематизация водоприемных систем

Схематизация водоприемных систем есть упрощение реального контура горных выработок с приведением их к точечным, площадным и линейным формам, позволяющее воспользоваться математическими моделями фильтрации.

Начальным приемом схематизации является геометризация водоприемной системы. Исходным документом для этого служит план обводненности шахтного горизонта.

Если обводненность горных выработок ограничивается единичными струйными водопроявлениями, то независимо от конфигурации горных выработок водоприемная система представляется в виде точечных или группы точечных возмущений.

Групповыми точечными возмущениями представляются также системы скважин предварительного осушения — дренажные узлы.

При относительно равномерной обводненности горные выработки приводятся к площадным или линейным формам.

Изменения статического уровня по площади в пределах водоприемной системы игнорируются, если колебания отметок не превышают 10 — 15% глубины заложения водоприемной системы. В противном случае определяется усредненное положение статического уровня. При наличии гидравлической связи водоносного горизонта с водотоками вблизи контура водоприемной системы выше средней отметки статического уровня в расчет принимается отметка уреза водотока.

При затухании обводненности с глубиной так, что с глубиной не происходит возрастания водопритоков нижних горизонтов, предельное понижение принимается равным глубине заложения обводненного горизонта. В этом наиболее сложном случае требуется дополнительное обоснование величины предельного понижения.

Прослеживание водопритока

Прослеживание общего к водоприемной системе притока подземных вод производится для схематизации возмущения, для выявления зависимости предельного водопритока от понижения, для анализа баланса источников его формирования.

Схематизация возмущения

В большинстве случаев возмущения в виде реальных временных графиков водопритока можно представить ступенчатыми схемами. Схематизация в этих случаях включает выделение ступеней возмущения. Осреднение водопритока на каждой ступени, определение разности средних (расчетных) величин водопритока смежных ступеней, выбор расчетной ступени, определение времени соответствующих ступеней [4].

его формирования

На схеме приведены типовые формы графиков при воздействии различных источников формирования водопритока. Как видно, эти формы достаточно характерны для решения обратной задачи на качественном уровне, т.е. по форме графика Q + t можно судить об источниках формирования водопритока. Для такого суждения необходимы сведения о развитии водоприемной системы.

Прослеживание понижения уровня в пограничном водоносном горизонте

Прослеживание понижения — это основной прием определения расчетных гидрогеологических параметров и квалификации расчетных фильтрационных схем, определяющих выбор методов прогнозных расчетов.

В основу этого приема положена простейшая модель фильтрации — модель точечных возмущений. Использование этой модели для обработки и интерпретации опытной информации регламентируется правилами, изложенными в работе [1].

Учет размеров и формы водоприемных систем

Влияние размеров и формы водоприемных систем проявляется в осложнении структуры радиального потока. Для учета этого факта используется известное положение о пределах влияния размеров и форм водоприемных систем при удалении от них наблюдательных скважин, которое исходит из допущения сохранения радиальности потока [2].

Обработка опытных данных ОФН при водоотливе с использованием дальних скважин производится известными способами временного, площадного и комбинированного прослеживания понижения в обычном исполнении [1]. В итоге определяются коэффициенты водопроводимости, фильтрации, пьезо- и уровнепроводности массива по угловым коэффициентам и начальным ординатам соответствующих графиков прослеживания понижения.

Переменность размеров и формы водоприемных систем

Влияние этого фактора исследовано в работе [8]. По результатам исследования установлено, что факт развития водоприемной системы, оказывающей влияние в пределах водоприемной системы на величину водопритока, практически не сказывается на закономерности изменения понижений в пласте за пределами системы. Следовательно, при обработке указанными способами этот факт игнорируется. Он принимается в расчет лишь при квалификации наблюдательных скважин на дальние и ближние.

водоприемных систем

В тех случаях, когда обводненность достигается посредством крупных рассредоточенных водопроявлений вследствие развития водоприемных систем, происходит перераспределение очагов возмущения относительно наблюдательных скважин: вскрываются новые водопроявления и угасают прежние, происходит как бы приближение или удаление таких очагов при относительно постоянном общем водопритоке.

безнапорных водоносных горизонтов

При возмущениях безнапорных водоносных горизонтов в неустановившемся режиме уменьшается действующая мощность водоносного горизонта. Приемы обработки в таких случаях, описанные в работе [1], основаны на прослеживании средней мощности h_{cp} = (2H - S)/2 и требуют знания полной мощности водоносного горизонта H.

Прослеживание восстановления уровня в пограничном водоносном горизонте

ОФН за восстановлением уровня при затоплении (консервационном, аварийном) водоприемных систем можно использовать для определения основных гидрогеологических параметров и других показателей.

Использование способа прослеживания восстановления уровня при попутных возмущениях сопряжено с влиянием тех же осложняющих факторов, что и при прослеживании понижения, но имеются и специфические особенности.

Выбор способов обработки восстановления уровня, как и при прослеживании понижения, базируется на подразделении наблюдательных скважин на дальние и ближние от водоприемной системы.

Закономерности восстановления уровня в дальних скважинах на расстояниях, соизмеримых или превышающих размеры водоприемных систем, практически не зависят от их формы, размеров и развития.

Указанное критериальное соотношение реально почти всегда, поскольку длительность попутных возмущений даже при разведочном водоотливе достигает обычно 3 — 5 лет.

при восстановлении уровня

В отличие от скважинных возмущений, когда при малой емкости водоприемной конструкции восстановление уровня начинается сразу вслед за прекращением откачки, с прекращением водоотлива восстановление уровня начинается лишь после заполнения определенного объема водоприемной системы. До этого момента эффект заполнения емкости проявляется в продолжающемся понижении уровня.

Эффект заполнения емкости — осложняющий фактор при обработке данных ОФН.

Сложность учета этого эффекта заключается в том, что в определенный период после прекращения водоотлива происходит и заполнение остаточной емкости водоприемной системы, например, так называемых «воздушных пузырей» на концевых участках выработок и заполнение пластовой поровой или трещинной емкости.

ГЛАВА 4. ПРОГНОЗНЫЕ РАСЧЕТЫ ВОДОПРИТОКА

Виды прогнозных расчетов

Практикуются два вида прогнозных расчетов — предпроектный и оперативный.

Предпроектный прогнозный расчет осуществляется на предпроектных стадиях разведки месторождений твердых полезных ископаемых по данным опытно-фильтрационных наблюдений (ОФН) или опытно-фильтрационных работ (ОФР). Приближенный вариант расчета подготавливается на предварительной стадии разведки основного полезного ископаемого и используется при составлении технико-экономического обоснования (ТЭО) для обоснования способа осушения массива. Окончательный вариант расчета производится на детальной стадии разведки.

Предпроектный прогнозный расчет производится применительно к условной водоприемной системе. Рекомендации по выбору расчетной водоприемной системы — необходимый элемент прогнозного расчета.

По своему назначению предпроектные прогнозные расчеты являются долгосрочными прогнозами. Предполагается, что прогнозные водопритоки не должны существенным образом отличаться от фактических до конца отработки месторождений в течение 20 — 40 лет.

Точность современного предпроектного расчета не отвечает этому требованию.

Оперативный прогнозный расчет осуществляется в условиях действующей водоприемной системы по данным ОФН на предпроектных стадиях разведки для прогноза водопритока к разведочным водоприемным системам, а также при отработке месторождений для коррекции результатов долгосрочного предпроектного прогнозного расчета.

Оперативный прогнозный расчет является относительно краткосрочным прогнозом.

По результатам оперативного прогнозного расчета производится уточнение проектных решений, а при необходимости — частичная или кардинальная реконструкция системы водоотлива.

Методы прогнозных расчетов

Для прогноза водопритока пригодны в разной степени приближения практически все методы, используемые для решения других задач динамики подземных вод. Это гидродинамический, гидравлический, балансовый метод и метод аналогии.

Расчеты водопритока гидродинамическим методом

обводненных массивов

При длительных возмущениях по данным ОФН получают в этих условиях обобщенные параметры, характеризующие реальные ограниченные или неоднородные среды как условно однородные.

Признаками условно однородных фильтрующих сред с обобщенными параметрами, по данным ОФН, являются: неустановившийся режим фильтрации, однородная временная закономерность понижения в любых точках области фильтрации, сходимость основных параметров, определяемых способами временного и площадного прослеживания.

питания водоносного горизонта

В случаях развития водоприемных систем под руслами водотоков, под водоемами или в непосредственной близости от них при всевозможных граничных условиях питания прогнозы гидродинамическим методом затруднительны. В этих условиях рекомендуется сочетание гидродинамического и балансового методов.

Расчеты водопритока гидравлическим методом

Методы прогнозных расчетов, традиционно называемые гидравлическими, предполагают использование уравнений фильтрации, в которых некоторые показатели свойств массива и показатели водоприемных систем выражены через обобщенные коэффициенты. Поскольку такие уравнения и обобщенные коэффициенты находятся опытным путем, они являются по существу эмпирическими моделями фильтрации.

Прогноз водопритока гидравлическим методом рекомендуется как оперативный прогнозный расчет в условиях действующих водоприемных систем и как предпроектный прогнозный расчет.

В последнем случае расчет прогнозного водопритока возможен при следующих условиях:

• объектами прогноза могут быть подземные развивающиеся водоприемные системы,
• водоприток на прогнозных объектах будет формироваться за счет емкостных запасов основного и смежных, гидравлически связанных с основным, водоносных горизонтов,
• величина расчетного понижения не превышает реальной мощности обводненного массива.

Последнее условие относится к скальным трещиноватым массивам, где прямое определение мощности водоносного горизонта затруднительно.

горных выработок

Водоприток при аварийном затоплении как важнейшая следственная величина позволяет установить геологическую либо техническую причину аварии и принимать решения по восстановительным работам.

При аварийном затоплении водоприток в водоприемную систему необходимо замерять непосредственно в системе водоотлива либо в водосборниках на затопляемом шахтном горизонте. Однако в чрезвычайных условиях аварийной ситуации сделать непосредственные замеры не всегда удается.

Определения водопритока по заполненному объему выработок ненадежны из-за наличия воздушных пузырей.

Для определения аварийного водопритока в момент затопления рекомендуется способ с использованием графиков временного прослеживания восстановления уровня.

Оценка водопритока балансовым методом

В случае формирования водопритока за счет емкостной и привлекаемой составляющей он может быть определен как сумма составляющих, оцениваемых раздельно.

Необходимость балансовой оценки возникает при сложных граничных условиях привлечения ресурсов, когда полный расчет гидродинамическим методом затруднителен. Основным при балансовой оценке является вопрос привлечения ресурсов от источников дополнительного питания к действующей водоприемной системе.

ЛИТЕРАТУРА

1. Боревский Б.В., Самсонов Б.Г., Язвин Л.С. Методика определения параметров водоносных горизонтов по данным откачек/М.: Недра, 1979.

2. Бочевер Ф.М. Теория и практические методы гидрогеологических расчетов эксплуатационных запасов подземных вод/М.: Недра, 1968.

3. Викентьев В.А., Карпенко И.А., Шумилин М.В. Экспертиза подсчетов запасов рудных месторождений/М.: Недра, 1968.

4. Методические рекомендации по проведению гидрогеологических исследований на стадии детальной разведки месторождений твердых полезных ископаемых/М.: ВИМС, 1981.

5. Самсонов Б.Г., Рогожина М.А. Влияние формы и скорости развития системы горных выработок на величину водопритока//Разведка и охрана недр, 1990, № 6. С. 43 — 47.

6. Сборник руководящих материалов по геолого-экономической оценке месторождений полезных ископаемых. Т. 1/М.: 1985.

7. Требования к изучению и подсчету эксплуатационных запасов подземных вод, участвующих в обводнении месторождений твердых полезных ископаемых/М.: ГКЗ, 1986.

8. Минкин Е.Л. Взаимосвязь подземных и поверхностных вод и ее значение при решении некоторых гидрогеологических и водохозяйственных задач/М.: Стройиздат, 1973.

9. Hantush M. Flow to wells in aquifers separated by semipervious layers/Res., v. 72, № 26, 1967.

III. ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИ РАЗВЕДКЕ И ЭКСПЛУАТАЦИИ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

ГЛАВА 1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Цели и задачи работ

Сфера приложения настоящих Методических рекомендаций — геоэкологический аспект разведки и промышленного освоения рудных месторождений металлов.

Цель рекомендаций — методическая помощь геолого-разведочному, предпроектному и эксплуатационному производствам в части информационного обеспечения экологической экспертизы геоэкологических разделов ТЭО разведочных и эксплуатационных кондиций, отчета по подсчету запасов, рекомендаций и проектов по природоохранной деятельности, а также методическая помощь органам управления в части геоэкологического обеспечения лицензионных договоров.

Задачи информационного обеспечения состоят в оценке геоэкологических последствий в объектах окружающей среды (ОС) будущих, действующих и завершенных производств на основе сбора и обработки данных при геолого-разведочных, изыскательских работах и объектном мониторинге.

Достоверность информационного обеспечения возрастает от оценки экологических последствий будущих производств к оценке экологических последствий действующих и завершенных производств. При этом основную информацию об исходном состоянии ОС и геоэкологических последствиях геолого-разведочных работ получают при проведении предпроектных геолого-разведочных работ, а основную информацию о техногенных источниках, видах воздействия и геоэкологических последствиях освоения месторождения — при проектировании и эксплуатации месторождения.

В соответствии с вышесказанным при предпроектных геолого-разведочных работах для месторождения, предполагаемого к освоению, намечают главным образом превентивные природоохранные меры, а при составлении проекта освоения месторождения в процессе его эксплуатации и последующей реабилитации — меры по ограничению, компенсации ущерба и ликвидации геоэкологических последствий.

Правовой основой Методических рекомендаций являются Федеральные законы «Об охране окружающей природной среды» 2002 г. [30], «О недрах» 1995 г. [33], «Об экологической экспертизе» от 1995 г. [29], «Об охране атмосферного воздуха», «Об отходах производства и потребления» от 1998 г. [28], «Водный кодекс РФ» от 1995 г., «Положение о порядке лицензирования пользования недрами» от 1992 г. [39], Постановления Правительства РФ «О Единой государственной системе экологического мониторинга (ЕГСЭМ)», «О Федеральной целевой программе „Обращение с радиоактивными отходами и отработанными ядерными материалами, их утилизация и захоронение на 1996 — 2005 гг.“ [34], „Положение о проведении Государственной экологической экспертизы“ [38] и вытекающие из Федеральных законов и постановлений Правительства подзаконные акты Министерства природных ресурсов, Госкомнедра, ГКЗ [31, 32 и др.].»

ГЛАВА 2. ОБРАЩЕНИЕ С ОТХОДАМИ ГЕОЛОГО-РАЗВЕДОЧНЫХ И ГОРНО-ОБОГАТИТЕЛЬНЫХ ПРОИЗВОДСТВ

Согласно Федеральному закону «Об отходах производства и потребления» [28] обращение с отходами — деятельность, в процессе которой образуются отходы, а также деятельность по сбору, использованию, обезвреживанию, транспортированию и размещению отходов.

Настоящая работа содержит основные понятия, которые приведены в Федеральном законе «Об отходах производства и потребления», 1998:

«отходы производства и потребления (далее — отходы) — остатки сырья, материалов, полуфабрикатов, иных изделий или продуктов, которые образовались в процессе производства или потребления, а также товары (продукция), утратившие свои потребительские свойства,»

опасные отходы — отходы, которые содержат вредные вещества, обладающие опасными свойствами (токсичностью, взрывоопасностью, пожароопасностью, высокой реакционной способностью) или содержащие возбудителей инфекционных болезней, либо которые могут представлять непосредственную или потенциальную опасность для окружающей природной среды и здоровья человека самостоятельно или при вступлении в контакт с другими веществами,

размещение отходов — хранение и захоронение отходов,

хранение отходов — содержание отходов в объектах размещения отходов в целях их последующего захоронения, обезвреживания или использования,

захоронение отходов — изоляция отходов, не подлежащих дальнейшему использованию, в специальных хранилищах в целях предотвращения попадания вредных веществ в окружающую природную среду,

использование отходов — применение отходов для производства товаров (продукции), выполнения работ, оказания услуг или для получения энергии,

обезвреживание отходов — обработка отходов, в том числе сжигание и обеззараживание отходов на специализированных установках в целях предотвращения вредного воздействия отходов на здоровье человека и окружающую природную среду,

объект размещения отходов — специально оборудованное сооружение, предназначенное для размещения отходов (полигон, шламохранилище, хвостохранилище, отвал горных пород и другое)».

Геолого-разведочное, добычное и обогатительное производства сопровождаются образованием промышленных и бытовых отходов, которые являются одним из основных источников воздействия на объекты ОС.

Воздействие образуемых отходов на объекты ОС зависит от их агрегатного состояния (твердое, жидкое, газовое и аэрозольное — пылевое), концентрации компонентов, определяющих опасность отходов, количества отходов, особенностей их размещения и содержания, от вида транспортировки и некоторых других факторов.

Потенциальная опасность отходов определяется по методике, утвержденной в 2001 г. Приказом Министра МПР № 511, которая заключается в отнесении отходов к одному из пяти классов опасности [32].

Производственные отходы геолого-разведочного комплекса (горных работ, опытно-фильтрационных наблюдений (ОФН), геотехнологических опытов) аналогичны отходам соответствующих добычных производств, но характеризуются существенно меньшими объемами. Спецификой отходов геолого-разведочного производства являются отходы буровых и опытно-фильтрационных работ, а также брошенные поселки геолого-разведочных партий.

Рассматриваемые производства сопровождаются оставлением на рабочих площадях отработанного оборудования, строительного и бытового мусора, которые должны быть размещены на организованных свалках, хотя довольно часто это положение не соблюдается.

Геолого-разведочный комплекс

Буровые работы. Основные отходы характеризуются оставленными площадками буровых агрегатов, буровым шламом и промстоками промывочных вод.

Состав шлама и промстоков промывочных вод связан с составом руд и вмещающих пород разведуемых месторождений.

Опытно-фильтрационные работы (ОФР). Основным отходом служат откачки (выпуски) подземных вод из скважин. Откачки характеризуются небольшими объемами, которые существенно не нарушают гидродинамические параметры горизонтов подземных вод и экогеохимию природного ландшафта.

Геотехнологические опыты. Основные отходы — неубранное изношенное оборудование участков геотехнологического опробования и опытно-промышленных полигонов, производственный и бытовой мусор.

Основные жидкие отходы связаны с остаточными технологическими растворами в недрах.

Объем технологических растворов, используемых при геотехнологическом опробовании, составляет 40 — 200 т, при опытно-промышленных работах он достигает 10000 т. Состав технологических растворов определяется составом техногенных реагентов (например, серная кислота) и компонентов мобилизации из руд и вмещающих пород.

Добычной комплекс (горный способ добычи в вариантах открытых и подземных работ, способы кучного, шахтного и подземного скважинного выщелачивания, скважинная гидродобыча, гидромеханизированная добыча)

Виды, количество и соотношение твердых, жидких и газопылевых отходов неодинаковы для разных способов добычи. Наибольшее количество отходов характерно для горной открытой добычи.

Горный способ добычи. Горный (открытый и подземный) способ добычи характеризуются твердыми, жидкими, газовыми и аэрозольными отходами. Часто он является градообразующим производством.

Твердые отходы производства представлены в основном породами вскрыши, вмещающими породами, забалансовыми рудами, рудами попутно извлекаемых полезных ископаемых, а также осадками в прудах-отстойниках, донными отложениями сбрасываемых дренажных вод, изношенным производственным оборудованием, строительным мусором.

Твердые отходы потребления связаны с селитебным комплексом и характеризуются бытовым и строительным мусором, а также осадками сточных вод.

Основное количество твердых производственных отходов составляют вскрышные и вмещающие породы. Их количество зависит от ряда факторов: мощности горного предприятия, технологии добычи, промышленного типа и крупности месторождения, длительности эксплуатации, содержания полезного компонента в рудах и их комплексности.

С увеличением содержания полезных компонентов в рудах падает доля твердых отходов на 1 т перерабатываемого сырья (табл. 1).

Таблица 1

Отходы при добыче и переработке минерального сырья

Количество твердых отходов связано с запасами руд месторождений.

Для месторождений разного вещественного состава, но одного ранга крупности, при прочих близких условиях количество твердых отходов соответствует следующему ряду: черные металлы > цветные металлы > радиоактивные металлы > редкие металлы > благородные металлы (рис. 1).

«Минеральное сырье», М., 1999)

Количество твердых отходов при открытой добыче многократно выше, чем при подземной. Так, на урановых месторождениях при содержании урана в рудах 0,2% при карьерной добыче 1 т руды образуется 8 — 10 и более тонн твердых отходов с фоновой активностью, а при подземной добыче — порядка 0,2 — 0,7 т. На месторождениях цветных металлов при открытой добыче на 1 т металла приходится добывать 1 — 5 тыс. т вскрышных пород, а при углублении карьера на 100 м количество вскрышных пород, вывозимых в отвал, увеличивается в 1,8 раза.

Компонентный состав отходов отвечает составу руд и вмещающих пород. При этом основное значение для определения опасности отходов имеет сульфидность и радиоактивность руд и вмещающих пород, а также степень концентрации в них основных рудообразующих элементов и примесей по отношению к фону (или к нормативам, если таковые имеются).

Размещение твердых отходов производят организованно во внешних или внутренних отвалах. Размещение твердых отходов в отвалах следует проводить селективно не только с организацией складов забалансовых руд, но и с выделением потенциальных техногенных месторождений. При размещении твердых отходов следует также учитывать возможность их использования в качестве закладки.

При оценке опасности твердых отходов существенное значение имеют следующие факторы:

• превышение валовых и особенно легкоподвижных форм компонентов-индикаторов над их нормативными содержаниями, что следует учитывать при прогнозе опасности гидрохимического воздействия подотвальных вод,
• масса тонких фракций пород в отвале, высота отвала и соотношение его конфигурации с основными направлениями розы ветров, что важно для прогноза пылевого загрязнения приземной атмосферы и земной поверхности,
• радиоактивность пород отвалов; отвалы урановых месторождений относятся к низкоактивным радиоактивным отходам, которые характеризуются выделением аномально-повышенных концентраций Rn.

Транспортировку твердых производственных отходов от мест их образования в отвал производят электровозовагонеточным или автомобильно-самосвальным транспортом.

Объем строительного мусора, скрапа и бытовых отходов определяется градообразующим значением производства.

Производственные и бытовые твердые отходы размещают на организованных свалках.

Жидкие отходы горной добычи характеризуются дренажными водами.

Объем дренажных вод определяется водопритоком в горные выработки; величина водопритока определяется на основе ОФР и ОФН.

Гидрохимическое качество дренажных вод определяется исходным качеством подземных вод и приобретенным качеством, обусловленным прохождением исходных подземных вод через систему горных выработок.

Возможно три варианта качества дренажных вод:

• качество исходных подземных вод не превышает нормы ПДК, НРБ, ГОСТа,
• качество исходных подземных превышает нормы ГОСТа, ПДК, НРБ по тем или иным компонентам,
• приобретенное качество дренажных вод превышает указанные нормы, хотя качество исходных вод этим качествам удовлетворяет.

В соответствии с этим применяют разные варианты природоохранных мер (см. гл. 6).

Газовые и аэрозольные отходы. Для горного способа добычи характерны газовые и аэрозольные организованные (вентиляционные) и неорганизованные выбросы, возникающие при взрывной отбойке и работе автотранспорта.

Взрывная отбойка. Состав газовых и аэрозольных компонентов определяется составом взрывчатых веществ (ВВ), руд и вмещающих пород.

Обычный состав газовой компоненты — оксид углерода, диоксид азота, оксид серы, а также органические соединения. Для пылевой компоненты характерны аномально высокие концентрации основных рудных компонентов при относительно повышенной концентрации элементов — примесей руд.

Для ртутных рудников характерны содержания ртути, превышающие 100 ПДК, для хромитовых и золотых месторождений — органических соединений (до 100 фонов). На урановых подземных рудниках, например, организованные вентиляционные выбросы шахт содержат рудничную пыль с {}^{222}Rn , {}^{238}U , {}^{226}Ra , {}^{230}Th , {}^{210}Pb и \alpha - \text{активными} аэрозолями. Рудник средней производительности с рудами, содержащими десятые доли процента урана, характеризуется выбросами в атмосферу 80 Бк/сут {}^{222}Rn с радиоактивными аэрозолями.

При открытых работах масса и концентрация пыли в аэрозольном облаке, образованном при взрывной отбойке, определяется величиной заряда ВВ в скважинах. Например, типичный взрыв в карьере Лебединский (КМА) при массе ВВ в скважинах до 1000 т характеризуется образованием аэрозольного облака с массой пыли 80 — 300 т при концентрации в центре облака 0,6 — 2,3 г/м3, что в 300 — 1100 раз выше ПДК, и высоте облака 700 м при его размере в плане 500 м.

При массе ВВ в скважинах около 1 т высота аэрозольного облака в 4 — 5 раз меньше.

Отвалы. Пыление отвалов определяется массой тонких фракций и рядом других факторов (см. выше). Состав пылей определяется составом пород вскрыши, вмещающих пород и руд.

Работа карьерного автотранспорта сопровождается неорганизованными газовыми выбросами и пылением. Для отработанных газов двигателей характерны оксиды углерода, азота, дополнительно для дизельных двигателей — акролеин, углеводороды, альдегиды, для бензиновых двигателей — углеводороды, альдегиды, свинец, бензопирен.

Состав пылевой компоненты соответствует составу пылевой компоненты аэрозольного выброса при взрывной отбойке.

Способы кучного (КВ) и шахтного (ШВ) выщелачивания предназначены для добычи золота, меди, урана из бедных, забалансовых руд и минерализованных вмещающих пород. Процесс выщелачивания происходит на специально подготовленных площадках, предотвращающих утечки рабочих растворов. Выщелачивание производят из штабелей (куч) вышеуказанного материала путем разбрызгивания по поверхности штабеля (магазинированного в подземном блоке материала) рабочего раствора: серной кислоты (уран, медь) или цианистого натрия (золото).

Процесс выщелачивания металла сопровождается формированием твердых и жидких отходов.

Твердые отходы. Основные производственные отходы представлены остаточными кучами (штабелями) выщелоченных бедных, забалансовых руд и вмещающих пород, обогащенных рудными компонентами как на поверхности (КВ), так и в подземных камерах (ШВ).

Остаточные кучи (штабеля) после завершения процесса выщелачивания полезного компонента промывают и нейтрализуют, после чего они не должны представлять токсической опасности.

Высота остаточных куч (штабелей) колеблется от первых метров до первых десятков метров. При способе КВ их либо перемещают в отвалы, либо оставляют на завершенных рабочих площадках.

Прочие твердые отходы состоят из производственного мусора.

Жидкие отходы КВ и ШВ характеризуются остаточными объемами рабочих растворов, протечками продукционных растворов, сточными водами.

Способ подземного выщелачивания (ПВ). Способ ПВ реализуют на полигоне, расположенном в горном отводе. Он состоит из наземной и подземной частей, объединенных единой системой циркуляции рабочего раствора через систему закачных скважин. Происходит просачивание через рудное тело с выдачей продуктивного раствора через откачные скважины и трубопроводы к перерабатывающей установке с последующей регенерацией рабочего раствора и повторением цикла.

Скважинное подземное выщелачивание сопровождается главным образом жидкими отходами.

Жидкие отходы представлены остаточными объемами технологического раствора в недрах, разливами кислот и продуктивных растворов на земной поверхности полигона.

Остаточные объемы технологических растворов в недрах содержат компоненты рабочего раствора (в основном серную кислоту) и компоненты мобилизации из руд (основной рудообразующий элемент — уран) и вмещающих пород.

Объем используемых технологических растворов опытно-промышленного производства достигает максимум 10000 т, а промышленного — существенно больше.

Твердые отходы характеризуются производственным и бытовым мусором, размещаемым на полигонах, шламом буровых работ, изношенным оборудованием.

Скважинная гидродобыча (СГД). Скважинная гидродобыча ориентирована на добычу железных руд из перекрытых кор выветривания железистых кварцитов, титано-циркониевых и других руд из россыпей, нерентабельных для других способов добычи.

Скважинная гидродобыча организована на полигонах, находящихся в горном отводе. Полигон состоит из наземной и подземной частей. Подземная часть — система стволов скважин, погруженных окончаниями в рудное тело, которые сопровождаются рабочими камерами. Поверхностная часть — система трубопроводов, соединяющих стволы скважин с обогатительной фабрикой, хвостохранилищем, прудом-отстойником. Вода под давлением подается в рабочую камеру, находящуюся в рудном теле, образуется рудная пульпа, направляемая на обогатительную фабрику, находящуюся на площадке рудника (титан-циркониевые россыпи); хвосты обогащения поступают в хвостохранилище, жидкая фаза из хвостохранилища поступает в пруд-отстойник. На железорудных месторождениях концентратом служит выдаваемая пульпа, жидкая фаза которой сразу поступает в пруд-отстойник. Вода из пруда-отстойника вновь поступает в водооборот. Соотношение Т:Ж в пульпе 1:5 — 1:10.

Скважинная гидродобыча сопровождается твердыми и жидкими отходами.

Твердые отходы представлены главным образом хвостами обогащения, а также осадками прудов-отстойников, шламом буровых работ, производственным и бытовым мусором, вышедшим из строя оборудованием.

Хвосты по вещественному и фракционному составу отвечают вмещающим породам камер размыва. В хвостохранилища их доставляют с обогатительной фабрики по пульповодам. Объем хвостов во многие десятки раз превышает объем добытой руды (доля рудной компоненты в Ti-Zr россыпи составляет около 5%).

Жидкие отходы связаны с неорганизованными фильтрационными потерями хвостохранилища и прудов-отстойников.

Гидромеханизированная добыча. Гидромеханизированную добычу применяют для разработки россыпей золота и некоторых других металлов, расположенных в современных и погребенных долинах рек, прибрежных областях, болотистой местности.

Для добычи используют драги, гидромониторы, экскаваторы, скреперы в сочетании с гравитационными методами обогащения.

Для разработки россыпей характерны в основном твердые и жидкие отходы.

Твердые отходы в основном состоят из торфов и промытых песков, а также шлама прудов-отстойников. Промытые пески даже для богатых руд составляют более 99,99% объема перерабатываемой рудной массы.

Торфы и промытые пески размещают во внутренних или внешних отвалах.

Жидкие отходы характеризуются сточными водами после промывки песков. Сточные воды загрязнены взвесями частиц рыхлых отложений, определяющих потерю прозрачности технологической воды.

Объем технологической воды большой. Например, при разработке золотоносных россыпей в районах Крайнего Севера на 1 м3 песков расходуется до 18 м3 технологической воды.

Технологическая вода в пруды-отстойники отводится по трубопроводам, и после отстоя ее включают в водооборот, сбрасывают в водотоки или на рельеф.

Комплекс обогащения (методы и процессы обогащения, флотация, магнитная и радиометрическая сепарация, гравитационные процессы, дробление и измельчение, агломерация,

гидрометаллургия) [1, 8, 36]

По своему вещественному составу подавляющая часть (до 95%) руд черных, цветных и редких металлов, а также продуктивных песков по технологическим или экономическим соображениям непригодна для непосредственного получения из них металла без предварительного обогащения. Поэтому добытое минеральное сырье подвергают обогащению на обогатительной фабрике для получения соответствующих богатых концентратов (табл. 2).

Таблица 2

Основные черты методов обогащения руд

Усредненные показатели по выходу отходов обогащения (по данным 6, 11, 48, 53, 54, 26)

Объект	Основные операции	Выход концентрата, %	Выход хвостов		Объем хвостов, млн. т/г
			т/т руды	т/т концентрата
1. Fe-руды	Сухая и мокрая магнитная сепарация	18,0	0,069 (СМС) 0,71 (ММС)	0,4 (СМС) 4,2 (ММС)	6,7 — 7,0
(Fe — 15,8%)
V = 48 млн. т/г
2. Fe-руды	То же	48	0,64 — 0,7	1,34 — 1,4	2,9
(Fe — 35%)
V = 4,5 млн. т/г
Mn-руды (окисл.)	Рудомойка магн. сеп.	39,0	0,3 — 0,5	1,8 — 2	9,0
V = 3,0 млн. т/г
Mn — 22,0%
CuZn — колчед. руды	Флотация	\sum Cu - Zn
		3,83 Cu	0,397	10,35
V = 1650 млн. т/г		Об.Ф.
Си — 0,7%,		1,75 Zn
Zn — 0,7%		Об.Ф.	0,35	20,0
Au-руды 2 млн. м3/г	Гравитация	20,0 (на цианирование)	0,8	4,0	890 тыс. м3/г

<*> Максимальные концентрации токсичных компонентов могут достигать сотен ПДК.

Наиболее токсичные флотореагенты, их ПДК и частота использования приведены в табл. 6 [52, 19].

Таблица 6

Реагенты, оказывающие наибольшее влияние на загрязнение сточных вод (по 52)

Выход хвостов составляет от 4 до 30 т на 1 т концентрата.

Хвосты гравитации менее токсичны, чем хвосты магнитной сепарации и тем более — флотации. Сливы гравитации аналогичны сливам магнитной сепарации.

При обогащении в тяжелых суспензиях необходимой операцией является также очистка сточных вод от частиц утяжелителя. В стоках гравитационного обогащения лимитирующим показателем является мутность пульпы.

Радиометрическая сепарация — процесс крупнокускового разделения руд по содержанию ценных компонентов, основанный на избирательном воздействии различных видов излучения на свойства минералов и химических элементов (естественная радиоактивность для радиоактивных руд, люминесценция руд для руд вольфрама, редких металлов и флюорита, характеристическое излучение для оловянных и полиметаллических руд, диффузное отражение света для золотосодержащих, марганцевых и полиметаллических руд, ядерная реакция (фотонейтронный метод) для руд бериллия и др). Радиометрическая сепарация особенно эффективна для предварительного обогащения, позволяющего на первой стадии обработки руды отделить значительную часть крупнокускового отвального продукта. Как основной метод используется при переработке урановых руд [23, 24].

Крупность руды, поступающей на радиометрическую сепарацию, ограничена пределами от 300 (150) до 25 (2) мм и обычно составляет 150 — 25 мм.

Выход хвостов ~ 30 — 35% от массы обогащаемой руды. Они представлены в основном крупнокусковой фракцией пустых пород с небольшими включениями ценных минералов, присутствующих в первичной руде, в том числе радиоактивных при переработке урановых руд.

Источниками негативного воздействия на ОС служат пылегазовые выбросы от операций дробления, грохочения, транспортировки и складирования, а также ионизирующие излучения от радиометрической аппаратуры, выбросов радона и радиоактивных частиц в атмосферу, на поверхность земли или в грунтовую воду вследствие утечки или выщелачивания из твердых отходов. Меры защиты — использование стандартных схем при дроблении, систем вентиляции с пыле- и газоочисткой и защитных экранов и приспособлений при работе с радиометрической аппаратурой и изолирование хвостов обогащения при работе с радиоактивными рудами [49].

Процесс дробления осуществляют обычно в три стадии: крупное дробление, например, от 1200 до 300 мм, среднее — от 300 до 75 мм и мелкое — от 75 до 15 мм. После дробления руда подвергается тонкому измельчению — до -2 мм или до -0,1 мм и мельче — в зависимости от метода обогащения.

Отходы дробления и измельчения — пыли, содержащие частицы минеральных компонентов, шламы, имеющие несколько большую жесткость, загрязненные взвешенными твердыми частицами минеральных компонентов руды.

Вид отхода
	Zn	нитриты	Cu	Pb	As	U	{}^{226}Ra	\sum \alpha^{-}	{}^{210}Po	{}^{210}Pb
Жидкие сточные воды	15,7	0,66	0,3	0,2	3,0	0,44	3,6	18,4	4,7	6,1
Оборотные воды	13,5	2,5	0,31	0,29	1,9	0,46	5,7	33,2	33,2	7,6

Продолжение таблицы

Для организации водооборота сливы от обезвоживания гравиконцентрата и сгущения хвостов гравитации и отделения сорбента (при сорбционном методе) проходят узел утилизации цианида или очистку от остаточных концентраций цианида, роданидов, As, Sb без утилизации. Осветленная часть очищенной пульпы используется для получения оборотной воды. Объем наиболее загрязненных сточных вод составляет 0,3 — 0,4 т/т руды.

Твердые хвосты золотоизвлекательных фабрик близки по вещественному составу к окисленным и частично окисленным рудам различных типов. Они содержат в значительных концентрациях водорастворимые соли щелочных и щелочно-земельных металлов, цветные металлы, представленные окисленными минералами, загрязнены цианидами и роданидами, органическими веществами — смазочные масла, флотореагенты, свободное золото имеет обычно покрытия из гидроксидов железа, в лежалых хвостах амальгамационных фабрик встречается золото в виде амальгамы. По грансоставу хвосты представлены главным образом песковой (класс -5 + 0,15 мм) и шламовой (класс 0,044 мм) фракциями.

Хвосты от цианирования руд, сливов от обезвоживания гравиконцентратов и сгущения хвостов, а также обеззолоченные маточные растворы по пульпопроводу направляются в хвостохранилище.

Общий расход воды составляет 8 — 9 м3/т руды.

ГЛАВА 3. ИСТОЧНИКИ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ

Воздействовать на окружающую среду могут природные и техногенные источники. Здесь уделяется внимание техногенным источникам разведочного, добычного и перерабатывающего комплексов при разведке и эксплуатации рудных месторождений. Основные виды воздействия на ОС продуцируют технологические процессы и отходы производств.

Технологические объекты указанных комплексов можно рассматривать только как потенциальные источники воздействия на окружающую среду. В зависимости от способов обращения с отходами указанные виды воздействия, особенно воздействия ущербного характера, могут проявиться, а могут и не проявиться. Поэтому наряду с технологическими потенциальными источниками следует определять источники, непосредственно инициирующие воздействия.

Например, хвостохранилище ГМЗ — потенциальный источник воздействия на природные воды, а фильтрационные потери его жидкой фазы есть непосредственный источник гидродинамического и гидрохимического воздействия. Далее рассматриваются потенциальные источники воздействия как технологические объекты и непосредственные источники, связанные с ними. В качестве потенциальных источников воздействия рассматриваются основные технологические комплексы действующих и остановленных производств разведки, добычи, переработки руд.

В связи с разведочным производственным комплексом рассматриваются следующие непосредственные источники:

• водоотлив при горно-разведочных работах как источник гидродинамического и гидрохимического воздействия на подземные воды, поверхностные водотоки и водоемы,

• оставляемые базы геолого-разведочных партий, цеха техслужб, поселки, использованное оборудование как источники нарушения ландшафта.

Длительность геолого-разведочного процесса на одном объекте по опыту 5 — 7 лет, поэтому источники гидродинамического, гидрохимического и аэрозольного воздействия, связанные с ним, можно характеризовать как источники кратковременного воздействия. Долгосрочными являются последствия механического воздействия.

Добычной комплекс при эксплуатации месторождений состоит из объектов подземной, открытой и геотехнологической добычи.

С добычным комплексом подземной разработки связаны следующие источники воздействия:

• подземное пространство добычных горных выработок, оставляемое после выемки руд как источник нарушения целости геологического массива и косвенного гидродинамического, гидрохимического воздействия на поверхность и подземную гидросферу (перетоки, подземные резервуары, миграция вещества закладки, деформация поверхности),
• рудничный водоотлив как источник гидродинамического и гидрохимического воздействия на подземные воды, поверхностные водотоки и водоемы,
• отвалы пустых пород и забалансовых руд как источник деформации ландшафта и отчуждения земель,

• вентиляционные организованные выбросы как источник аэрозольного воздействия на воздушный бассейн и земную поверхность.

• неорганизованные газовые и пылевые выбросы при буровзрывной технологии отработки как источник газово-аэрозольного воздействия на воздушный бассейн и земную поверхность.

С добычным комплексом открытого выщелачивания (скважинное, блочное и кучное) связаны следующие непосредственные источники воздействия:

• оставляемый штабель КВ обработанных реагентами руд как источник деформации рельефа, отчуждения земель и гидрохимического воздействия,
• остаточные растворы открытого выщелачивания при скважинном, блочном и кучном процессах как источник гидрохимического воздействия на подземные воды,
• фильтрационные потери технологических растворов производственных установок как источник гидрохимического воздействия на подземные воды.

К комплексу переработки руд относятся обогатительные фабрики, извлекательные фабрики (ЗИФ), гидрометаллургические заводы (ГМЗ) с цехами рудоподготовки (дробление и измельчение, обжиг, агломерация).

Непосредственными источниками воздействия объектов перерабатывающего комплекса на окружающую среду являются:

• хвостохранилища как источник деформации рельефа, отчуждения земель и перемещения хвостового материала,
• фильтрационные потери жидкой фазы хвостохранилищ как источник гидрохимического и гидродинамического воздействия на подземные воды, поверхность земли и поверхностные водотоки,
• организованные вентиляционные выбросы как источник газово-аэрозольного воздействия на воздушный бассейн и земную поверхность.

Водозаборы подземных вод служат источником гидродинамического воздействия на водоносные горизонты.

К природным источникам физико-геологического воздействия относятся:

• оползни, оползни-обвалы, осыпи, сели как источники механического воздействия на геологический массив и разрушительного воздействия на объекты техносистемы и социальные объекты,

• извержения вулканов как источник механического и теплового воздействия на геологический массив и аэрозольного воздействия на воздушное пространство.

К природным источникам гидрометеорологического воздействия относится:

ГЛАВА 4. ВИДЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ

Механическое воздействие на геологический массив

Гидродинамическое воздействие на подземные воды

Индикатором гидродинамического воздействия служит изменение напора подземных вод. Изменения напора выражаются абсолютными отметками уровня и разностью отметок возмущенного и исходного уровней, называемой понижением и повышением уровня. Этими величинами характеризуется степень гидродинамического воздействия.

Пространственной моделью гидродинамического воздействия при сосредоточенном водоотборе из водоносных горизонтов является воронка депрессии, а при сосредоточенном притоке в водоносный горизонт — конус репрессии.

Рис. 3. Карта гидроизопьез нижнего (сеноманского) водоносного горизонта (Кенигштайн, январь 1968 г.)

Гидрохимическое воздействие на природные воды и фильтрующие среды

Под гидрохимическим воздействием понимаются проявления природных и техногенных источников, вызывающие изменения состава природных вод и горных пород привносимыми компонентами растворенного вещества, несмешивающимися жидкостями и механической взвесью.

Гидрохимическое воздействие вызывают дренажные воды водоотлива при горной добыче, остаточные растворы открытого выщелачивания при геотехнологической добыче, фильтрационные потери жидкой фазы хвостохранилищ, подотвальные воды, хозяйственно-бытовые стоки.

Для характеристики ионизирующего излучения радиоактивных индикаторов используются единицы активности. Активность радиоактивного вещества есть число спонтанных ядерных превращений в единицу времени. Единицей измерения активности является одно ядерное превращение в секунду, названное беккерелем (Бк). Наряду с этим используется ранее принятая единица активности — кюри (Ки), равная 3,7 \cdot 10^{10} ядерных превращений в секунду. Показателем радиационного воздействия является удельная активность, т.е. активность единицы объема или массы (Бк/л, Ки/л, Бк/кг, Ки/кг).

Жидкие производственные среды считаются радиоактивными, если содержание в них радиоактивных элементов превышает предельно допустимые концентрации для воды. Источниками радиационного воздействия разведочного и добычного комплексов могут быть дренажные воды горной добычи и разведки, остаточные растворы открытого выщелачивания, фильтрационные потери жидкой фазы хвостохранилищ ГМЗ. Указанные жидкие отходы горнодобывающих производств относятся к низкоактивным (удельная активность менее 1 \cdot 10^{- 5}\text{Ки}/\text{л} ) либо к нерадиоактивным растворам.

Физическими моделями гидрохимического воздействия являются объемные формы распространения индикаторов в недрах и в поверхностных водотоках — ареалы растекания и ореолы рассеяния. Ареалы характеризуются относительно постоянными концентрациями индикаторов либо незакономерными их изменениями в направлении вектора скорости потока. Ореолы характеризуются концентрациями индикаторов, закономерно убывающими в направлении вектора скорости потока.

Оценка гидрохимического воздействия заключается в прослеживании пространственно-временных изменений концентраций индикаторов в пределах ареальных или ореольных форм. Прослеживание производится по концентрациям представительного индикатора. В качестве представительных индикаторов гидрохимического воздействия избираются характерные для конкретного источника, устойчивые в растворе стабильные или радиоактивные нормируемые компоненты, способные к дальней миграции. После выявления пространственной закономерности распространения представительного индикатора производится детализация ареала или ореола по совокупности других нормируемых компонентов.

Для оценки гидрохимического воздействия используются математические модели массопереноса растворенного вещества в виде прогнозных расчетов распространения индикаторов.

Распространение растворенного вещества в подземных водах влечет за собой распространение его и в фильтрующей среде горных пород. Накопление вещества в твердой фазе происходит при длительной миграции растворенного вещества в системе вода — порода. Это явление установлено для радиоактивных индикаторов в пористых и трещинных фильтрующих средах. Так формируются вторичные ореолы рассеяния в твердой фазе.

Последствия гидрохимического воздействия ведут к загрязнению подземных вод, поверхностных водотоков и водоемов, а также фильтрующей среды геологического массива.

Рис. 4, 5 иллюстрируют формирование ореола загрязнения подземных вод от хвостохранилища ГМЗ.

1 — скважина и содержание в ней элемента-индикатора, мкг/л; 2 — изолинии содержаний элемента-индикатора, мкг/л; границы: 3 — хвостохранилища, 4 — прудков.

Рис. 4. Ореол урана в жидкой фазе хвостохранилища

	-	1
	-	2
	-	3
	-	4
	-	5
	-	6
	-	7
	-	8

Газово-аэрозольное воздействие

Физико-геологическое воздействие

Метеорологическое воздействие

ГЛАВА 5. ОБЪЕКТЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ И ВЕРОЯТНОГО УЩЕРБА

В качестве вероятных объектов воздействия рассматриваются природные, инженерные, социально-бытовые и культурно-исторические объекты, предположительно или реально подверженные воздействию указанных источников.

В качестве природных объектов воздействия рассматриваются окружающие среды, предположительно подверженные воздействию потенциальных источников. Природные объекты механического воздействия — геологический массив и ландшафты. Объекты гидродинамического воздействия — водоносные горизонты и поверхностные водотоки. Объекты гидрохимического воздействия — водоносные горизонты, поверхностные водотоки и проницаемые среды геологического массива. Объектами аэрозольного воздействия являются воздушный бассейн и почвы.

В качестве инженерных, социально-бытовых и культурно-исторических рассматриваются объекты техносистемы. Объектами гидродинамического и гидрохимического воздействия могут быть объекты эксплуатации подземных вод, объектами аэрозольного воздействия — города и поселки.

Почти все из названных объектов техносистемы могут быть объектами физико-геологического воздействия. Любая природоохранная деятельность должна осуществляться в системе: источник — вид — объект воздействия. Объект воздействия как замыкающий элемент этого ряда, во-первых, должен быть выявлен и, во-вторых, исследован.

В случае одиночных объектов вероятного воздействия оценка может быть точечной. В данном случае для количественной оценки вероятного гидродинамического воздействия на конкретные объекты минимум необходимой исходной информации — положение объекта и статический уровень водоносного горизонта.

Воздействие на объект может быть ущербным и неущербным. Перевод объектов воздействия в категорию объектов ущерба осуществляется по степени воздействия. Как уже было сказано, для этой цели величина воздействия сопоставляется с нормами, а при отсутствии норм — с технологическими или проектными допусками.

Важная характеристика объекта воздействия — время проявления последствий воздействия. Оценка временной характеристики может быть качественной: по приближенным признакам (взаимное расположение источников и объектов воздействия, геологическая позиция объектов воздействия и др.) последствия воздействия ранжируются как непосредственные, близкие и отдаленные. В некоторых случаях требуется количественная временная оценка. Гидродинамическое, гидрохимическое, в значительной степени газово-аэрозольное воздействие проявляются, как правило, в неустановившемся режиме. Количественная оценка факта, степени и времени воздействия выполняется тогда с помощью прогнозных расчетов или непосредственно по факту проявления. Прогнозная оценка осуществляется с помощью математических моделей, в простейших условиях — элементарных, в иных условиях с помощью численных компьютерных моделей [7].

На рис. 6, 7 показан пример прослеживания гидродинамического воздействия эксплуатационного водоотлива (по факту проявления) на участке скв. 22 (см. рис. 3), удаленном от рудника на 2,85 км. Временной график понижения уровня представляет собой прямую в полулогарифмических координатах, т.е. в форме, удобной для экстраполяции понижения во времени. На период наблюдений 4000 суток от начала водоотлива понижение уровня возросло до 30 м, что ниже кровли водоносного горизонта и свидетельствует об ущербном гидродинамическом воздействии рудничного водоотлива на участок скв. 22 (объект воздействия).

	Q, м3/сут			S_{2} - S_{1}	lg \frac{t_{2}}{t_{1}}	C	km, м2/сутки		r, м	lg r	2 lg r	A	A/C	lg a	a, м2/сут
	II	12000	14,0	-11,8	25,8	1	25,8	85,1		2850	3,455	6,910	-63,4	-2,457	4,103
I	10000	10,5	-3,75	14,23	1	14,26	128,4		2850	3,455	6,910	-32,25	-2,263	4,297	1,97 \cdot 10^{4}

Рис. 6. Графики временного прослеживания понижения уровня по данным гидрогеологического мониторинга на руднике

Рис. 7. График временного прослеживания водопритока в горные выработки рудника Кенигштайн

Знание времени проявления гидродинамического и гидрохимического воздействий, а затем и воздействия ущербного определяет порядок финансирования и реализации природоохранных мер. В приведенном примере достаточное воздействие (при понижении 10 м) проявилось через 2 года, а ущербное воздействие (30 м) — через 10 лет. В этом случае нет необходимости в превентивных мерах до начала водоотлива. При необходимости здесь следует предусматривать меры с отложенной реализацией, т.е. в данном примере — через 2 — 5 лет после начала водоотлива.

Когда объектами гидрохимического воздействия являются природные водотоки, необходимо знание гидрографа (расход потока во времени) и промысловое значение водотоков. Знание расхода потока определяет степень разбавления стоков. Промысловое значение водотока определяет вид нормативов.

Таким образом, информация по объектам вероятного воздействия должна обеспечивать подтверждение факта, определение степени и времени проявления воздействия, которые оцениваются прогнозными расчетами или по факту проявления.

ГЛАВА 6. ПРИРОДООХРАННАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ РАЗВЕДОЧНЫХ ПРОИЗВОДСТВ

Природоохранная деятельность разведочных производств — начальное звено единого ряда исследований по изучению воздействия разведочных и горнодобывающих предприятий на окружающую среду.

На предпроектных стадиях геолого-разведочного процесса природоохранная деятельность поисково-разведочных производств должна быть направлена на решение двух видов задач:

• оценку воздействия собственно разведочных работ на окружающую среду, проектирование и реализацию природоохранных мер,
• прогноз воздействия на окружающую среду будущих горнодобывающих производств для информационного обеспечения рекомендаций по природоохранным мерам эксплуатации.

Воздействие разведочных работ на окружающую среду

Этот вопрос должен рассматриваться в системе: производственные комплексы — потенциальные источники воздействия — виды воздействия — вероятные виды физического ущерба — природоохранные меры. Рассмотрение в этом плане иллюстрируется примерной схемой на рис. 8.

геолого-разведочного комплекса

Механическое воздействие

Источниками механического воздействия являются буровые и горно-разведочные работы, а природными объектами воздействия и вероятного ущерба служат геологический массив и ландшафты. Непосредственные источники воздействия на геологический массив при буровых работах — стволы скважин, оставляемых без ликвидационного тампонажа. Нарушение целости геологического массива в этом случае обусловливают гидродинамическое и гидрохимическое воздействия на подземную гидросферу в областях этажно расположенных водоносных горизонтов и самоизлива. Последствия этого воздействия — перетоки между смежными водоносными горизонтами и самоизливы напорных вод на поверхность. Различия в качестве подземных вод смежных горизонтов могут служить причиной гидрохимического воздействия.

Нарушение целости геологического массива скважинами может наносить ущерб объектам техносистемы. Так, переток из верхних водоносных горизонтов массива в нижние приводит к ущербу эксплуатационным запасам подземных вод и непосредственному ущербу водозаборам (в верхнем горизонте). Переток из нижних водоносных горизонтов в верхние может сопровождаться ухудшением качества подземных вод. Самоизлив подземных вод хорошего качества из глубоких водоносных горизонтов также ведет к ущербу запасам подземных вод. На разведуемых месторождениях твердых полезных ископаемых нарушение целости геологического массива и оставление открытых отвалов скважин может осложнить из-за перетоков проблему осушения массива при освоении месторождений.

Степень гидродинамического и гидрохимического воздействий незатампонированных скважин определяется их количеством, которое зависит от практикуемой плотности разведочных сетей. Некоторое представление о степени нарушения целости геологического массива в условиях вероятного воздействия паводка на будущие эксплуатационные выработки дает рис. 2, который представляет собой фрагмент разведочного поля. Общее количество оставленных на этом месторождении скважин — 2000. Как видно, разведочные скважины участка речной долины затампонированы цементацией, хотя и не все — с проверкой качества тампонажа.

Нарушение целости геологического массива скважинами проявляется как нежелательное наследство разведки в период освоения месторождения. Проблема гидродинамического воздействия перетоков через оставляемые разведочные скважины известна на примере месторождений алмазов им. Ломоносова. Решение этой проблемы после завершения разведочных работ связано не только с существенными дополнительными затратами, но и со значительными техническими трудностями. Поэтому в необходимых случаях ликвидационный тампонаж должен производиться непосредственно по завершении бурения на каждой скважине, т.е. входить в состав буровых работ. Таким образом, природоохранной мерой в отношении нежелательного нарушения целости геологического массива скважинами является их ликвидационный тампонаж. Однако обязательной нормы ликвидационного тампонажа поисково-разведочных скважин не существует. Поэтому обоснование необходимости тампонажа или отсутствие таковой, т.е. доказательство возможности оставления открытых отвалов скважин должно стать предметом проекта разведки. Оставление открытых отвалов скважин возможно в условиях относительно однородных, умеренно обводненных геологических массивов, особенно при отсутствии объектов вероятного ущерба. Частичный ликвидационный тампонаж необходим на пойменных участках долин. Ликвидационный тампонаж в полном объеме необходим в условиях этажно расположенных водоносных горизонтов при наличии объектов вероятного ущерба в отдельных элементах геологического разреза и в областях самоизлива подземных вод. Объектом вероятного ущерба чаще всего становятся системы подземной отработки месторождений твердых полезных ископаемых.

Таким образом, возможные решения по природоохранным мерам ограничиваются вариантами: а) оставление открытых стволов скважин допустимо, б) необходим выборочный ликвидационный тампонаж, в) необходим ликвидационный тампонаж в полном объеме. Реализация ликвидационного тампонажа предполагает выбор наиболее эффективной технологии исполнения в каждом конкретном случае и выборочный контроль качества.

Механическое воздействие горно-разведочных работ связано также с проблемой размещения и содержания отвалов горной разведки. Последствиями данного вида механического воздействия являются деформации ландшафта и отчуждение земель. В отношении радиоактивных отвалов существует опасность растаскивания радиоактивного материала. Минимизация механического воздействия отвалов достигается превентивными и ликвидационными мерами. В качестве превентивной меры рассматриваются различные способы рекультивации отвалов. Эти природоохранные меры достигаются решениями типовых задач изысканий и рекультивации.

К механическому виду воздействия можно условно отнести воздействие техслужб, строительства и быта геолого-разведочных партий. Непосредственными источниками этого вида воздействия являются оставляемые здания, сооружения, целые поселки, а также использованное оборудование и материалы, превращающиеся со временем в руины, свалки, мусор. Последствия этого — загромождение, захламление территории, эстетический ущерб среде обитания. Минимизация ущерба от этого вида воздействия достигается ликвидационными мерами. Ликвидация поисково-разведочных производств — типовой вид и предмет проекта поисково-разведочных работ, но который редко исполняется в полном объеме. Придание ему статуса природоохранной меры с надлежащим контролем и оформлением в виде лицензионных соглашений — путь решения.

Гидродинамическое воздействие

Основной источник гидродинамического воздействия на подземные воды — водоотлив при горно-разведочных работах. В этом качестве также рассматривают опытные гидрогеологические и геотехнологические работы и описанное в предыдущем разделе механическое воздействие. Непосредственный источник гидродинамического воздействия — отбор подземных вод, в частности, водоотбор при попутном осушении геологического массива, равный притоку подземных вод к горно-разведочным водоприемным системам. По известному нам опыту водоприток к таким системам в водонасыщенных частях разреза составляет от 50 до 1500 м3/час. Воздействие такого водоотбора на водоносные горизонты и поверхностные водотоки приводит к ощутимому ущербу подземному и поверхностному стоку и объектам эксплуатации подземных вод. Ущерб выражается в изъятии ресурсов подземных вод в указанных пределах, отборе разгрузки подземных вод (сработки родников), дополнительных понижениях уровня подземных вод на объектах их эксплуатации, уменьшении расхода малых рек.

Ущербными последствиями гидродинамического воздействия в подобных случаях считаются понижения уровня подземных вод на вероятных объектах ущерба (водозаборах) больше допустимого. В качестве природоохранных мер рассматриваются: реконструкция водозаборов или физическая компенсация при невозможности реконструкции. Физическая компенсация в данном случае — это поиски и разведка иного источника водоснабжения взамен утраченного. Поиски и разведка резервных источников водоснабжения входят в круг обязанностей разведочных партий.

Гидрохимическое воздействие

Основным источником гидрохимического воздействия разведочных работ служат дренажные воды горно-разведочного комплекса. Дренажные воды — продукт водоотлива при попутном осушении массива. При попутном способе осушения, который практикуется на горно-разведочных работах, подземные воды принимаются непосредственно в рабочие горные выработки. Состав дренажных вод формируется за счет исходного состава подземных вод, вовлекаемых в водоотлив, за счет компонентов мобилизации (из рудных и породообразующих минералов) и за счет технических компонентов-загрязнителей (горюче-смазочные материалы, остаточные компоненты ВВ и т.д.). С механической взвесью в дренажные воды поступают рудные и сопутствующие компоненты в виде твердых частиц. Дренажные воды характеризуются низким качеством как за счет низкого исходного качества подземных вод, так и за счет технического химического и механического загрязнения. При наличии урановых руд в дренажных водах могут быть природные радионуклиды: уран-238, радий-226, полоний-210, торий-230, свинец-210 и другие элементы. Таким образом, при любом исходном качестве подземных вод дренажные воды попутного осушения представляют собой загрязняющие растворы. Непосредственным источником гидрохимического воздействия является система водоотвода. Из практики горно-разведочных работ известно, что водоотвод может быть организованным и неорганизованным. Организованный водоотвод дренажных вод состоит из бассейнов-отстойников, трубопроводов для подачи дренажных вод к естественным водотокам (водоемам)-приемникам. Неорганизованный водоотвод — это слив «на рельеф» без водоподготовки и трубопровода.

Водоподготовка при организованном водоотводе простейшая — снижение содержания механической взвеси отстоем дренажных вод в бассейнах. Объектом воздействия дренажных вод и вероятного ущерба становятся речная сеть и природные водоемы. Последствия гидрохимического воздействия дренажных вод — загрязнение природных вод, особенно нежелательное в случае рыбохозяйственного значения водостоков-приемников. Последствия слива «на рельеф» — разливы, подтопление, загрязнение поверхности. Минимизация гидрохимического воздействия дренажных вод может быть достигнута организацией водоотвода. При этом возможны следующие примерные варианты:

• отвод в речную сеть исключается — сооружаются пруды-накопители,
• отвод в речную сеть исключается, сооружение прудов-накопителей затруднительно по условиям рельефа — рассматривается вариант возврата дренажных вод в геологический массив. Указанные варианты рассматриваются как природоохранные меры, требующие проектной проработки с изысканиями на местности. Организация водоотвода — это типовой вид горно-разведочных работ, придание ему статуса природоохранной меры повышает обязательность исполнения.

Гидрохимическое воздействие при опытных работах может иметь место при гидрогеологических и геотехнологических опытах. При гидрогеологических опытах источником гидрохимического воздействия могут быть извлекаемые подземные воды с повышенной минерализацией. Природоохранной мерой в таких случаях является организация водоотвода по изложенным выше соображениям. При опытных геотехнологических работах следует различать опытное и опытно-промышленное опробование. Опытное опробование производится без передела продуктивных растворов. В этом случае для проведения опыта необходимо в среднем около 30 т серной кислоты концентрации около 20 г/л. При двухскважинной схеме опыта с дебалансом откачки-закачки происходит пятикратное разбавление выходных растворов с последующим захоронением их через поглощающую скважину, предусмотренную в схеме опытного полигона. В каждом конкретном случае обосновывается пласт- приемник для захоронения остаточных растворов. Таким образом, природоохранные меры предусмотрены схемой опыта.

Опытно-промышленное опробование производится с переделом продуктивных растворов и оборотом технологических растворов в производственном цикле. Затраты серной кислоты в одном опыте составляют от 1000 до 10000 т при концентрации около 20 г/л. Источником гидрохимического воздействия служат остаточные растворы в рудоносном пласте. Объектом воздействия и вероятностного ущерба является подземная гидросфера и объекты эксплуатации подземных вод. В качестве природоохранных мер можно рассматривать превентивный вариант, т.е. вопрос о допустимости постановки опытно-промышленных испытаний на конкретном участке. В отдельных случаях задачи геотехнологических исследований могут быть ограничены постановкой опытного опробования с помощью двухскважинного, более щадящего метода. Более подробно проблема остаточных растворов ПВ будет охарактеризована при рассмотрении эксплуатационных полигонов в следующей главе настоящей работы.

Прецедентом нулевого варианта (отказ от дальнейших работ) может служить решение по Репьевскому месторождению в Жигулях.

Газово-аэрозольные воздействия

Источником газово-аэрозольного воздействия являются вентиляционные выбросы горно-разведочных выработок. Воздушная подземная среда по сравнению с иными источниками газово-аэрозольного воздействия на воздушный наземный бассейн не представляет существенной угрозы. Опасны выводимые газы периодической отпалки, а при разведке урановых руд — радоновыделение.

Природоохранной мерой по отношению к подземной атмосфере является обязательная вентиляция выработок, а на поверхности — естественное рассеяние вентиляционного потока. Параметры воздушного ореола должны учитываться при размещении объектов наземного комплекса и социальных объектов окружающей среды.

Вентиляция — это типовой вид горных работ, придание ему природоохранного статуса обязывает к более предметному проектированию и контролю.

Минимизация физического ущерба от разведочных работ

Буровые работы. Бурение — источник геохимического воздействия на геологический массив и косвенных гидродинамического и гидрохимического воздействий на подземную гидросферу. Непосредственным источником этих следов воздействия является совокупность поисковых и разведочных скважин, оставляемых после завершения работ без ликвидационного тампонажа. К последствиям прямого и косвенного воздействия на подземную гидросферу относятся вероятные скрытые перетоки подземных вод этажно расположенных водоносных горизонтов, самоизлив на участках превышения пьезометрического уровня поверхности земли, поглощение поверхностных вод на пойменных участках долин. В связи с этим возможны следующие виды физического ущерба: увеличение водопритоков в системы эксплуатационных горных выработок за счет водоносных горизонтов, изолированных от них в естественных условиях, изъятие ресурсов подземных вод эксплуатируемых водоносных горизонтов или горизонтов, пригодных для этой цели, ухудшение качества эксплуатируемых подземных или дренажных вод за счет смешения с водами низкого качества. Указанные виды ущербного воздействия характерны для слоистых геологических массивов с этажно залегающими водоносными горизонтами, т.е. проявляются неповсеместно. Задачи прогноза проявления косвенных гидродинамического и гидрогеохимического воздействий при механическом воздействии бурения решаются анализом геолого-гидрогеологической ситуации. Природоохранной мерой при вероятности указанных проявлений является ликвидационный тампонаж разведочных и поисковых скважин. Результаты анализа с обоснованием ликвидационного тампонажа позволяют принимать решения по вариантам: а) ликвидационный тампонаж необходим в полном объеме (тампонируются все скважины), б) ликвидационный тампонаж необходим избирательно, в) ликвидационный тампонаж не обязателен. Кроме того, необходимо обоснование технологии ликвидационного тампонажа по вариантам: закладка глинистыми шариками, заливка твердеющим раствором, нагнетание твердеющего раствора под давлением. Необходимость усиленного ликвидационного тампонажа возникает при наличии реальных объектов ущерба.

Горно-разведочные работы. Проходка разведочных горных выработок является источником механического воздействия на геологический массив. Водоотлив из разведочных выработок — источник гидродинамического воздействия на подземную гидросферу. Водоотвод дренажных вод — источник гидрохимического воздействия на наземную гидросферу и поверхность земли. Непосредственным источником механического воздействия на геологический массив при горно-разведочных работах является оставляемое пространство горных выработок. Нарушение целости геологического массива за счет этого может приводить к косвенному гидродинамическому и гидрохимическому воздействиям, аналогичным описанным в предыдущем разделе. Однако разведочные горные выработки в основном горизонтального исполнения и несплошной выемки горной массы. Вертикальное нарушение целости геологического массива при этом ограничено. Искусственная связь этажно расположенных водоносных горизонтов возможна только за счет шахтных стволов и скважин подземного бурения. Минимизация ущерба от механического воздействия ограничивается закладкой или тампонажем шахтных стволов твердеющими растворами.

Непосредственным источником гидродинамического воздействия водоотлива является изъятие подземных вод, сопровождаемое понижением уровня подземных вод осушаемых и смежных водоносных горизонтов окрестных территорий. Вследствие относительно кратковременного изъятия подземных вод при горно-разведочных работах ущерб ресурсам подземных вод незначителен. Понижение уровня подземных вод и развитие воронки депрессии могут приводить к ущербу действующим объектам эксплуатации подземных вод. Природоохранной мерой в этом случае будет наблюдение за развитием депрессионной воронки. По результатам прослеживания своевременно устанавливается вероятность ущербного воздействия, и по его факту принимается решение о физической компенсации ущерба конкретным объектам. Объектами ущерба становятся, как правило, водозаборы подземных вод.

Наибольшим может быть ущерб от неорганизованного водоотвода — слива «на рельеф», часто практикуемого при горно-разведочных работах. Загрязнение поверхностных водотоков сопровождается разливами, подтоплениями, загрязнением рельефа шламами.

Природоохранная мера в отношении дренажных вод — организация нормального водоотвода по примерным вариантам: а) организованный водоотвод в природные водотоки и водоемы при наличии разрешения контролирующих органов, б) устройство бассейнов-накопителей в случаях высокоминерализованных и загрязненных дренажных вод, в) подземное захоронение подобных дренажных вод при небольших величинах водопритока. Создание организованного водоотвода — традиционный вид геолого-разведочных работ, предмет типового проектирования.

Непосредственным источником гидрохимического воздействия на поверхностную гидросферу являются дренажные воды шахтного водоотлива. Дренажные воды представляют собой загрязняющие растворы либо за счет исходного качества подземных вод, либо за счет технического загрязнения, свойственного попутному осушению. Последствие гидрохимического воздействия — загрязнение природных вод поверхностных водотоков и водоемов. Наиболее уязвимые объекты вероятного ущерба — малые, особенно нерестовые реки.

Опытные работы. Производство геотехнологических и гидрогеологических натурных опытов рассматривается в современной практике как источник гидродинамического и гидрохимического воздействий на подземную гидросферу. Непосредственным источником гидродинамического воздействия может быть изъятие подземных вод, однако вследствие малых величин опытного изъятия и кратковременности опытов (от нескольких суток до нескольких месяцев) воздействие гидрогеологических опытов следует считать безущербным для ресурсов подземных вод. Необходимая природоохранная мера при проведении гидрогеологических опытов — организация нормального водоотвода.

Источником гидрохимического воздействия на подземные воды могут быть геотехнологические опытно-промышленные полигоны. Непосредственным источником гидрохимического воздействия являются остаточные технологические растворы в недрах. Последствия этого — загрязнение подземных вод.

Минимизация гидрохимического воздействия геотехнологических опытно-промышленных испытаний может быть достигнута расширением сферы применения щадящих методов опытного опробования. Предпосылки для этого имеются.

Базы геолого-разведочных партий. В связи с ограниченными сроками геолого-разведочных производств базы геолого-разведочных партий рассматриваются как источники воздействия на ландшафты. Непосредственными источниками служат оставляемые жилые поселки, производственные здания и сооружения, использованные машины, оборудование и материалы. Последствия этого — загромождение, захламление поверхности — эстетический ущерб ландшафтам. В качестве природоохранных рассматриваются ликвидационные меры: утилизация, демонтаж, вывоз или складирование на месте отходов ликвидации и санации территории.

Таким образом, минимизация ущерба окружающей среде от поисково- разведочных работ достигается реализацией превентивных, сопутствующих и ликвидационных природоохранных мер. К ним относятся:

• ликвидационный тампонаж поисковых и разведочных скважин, закладки и тампонаж шахтных стволов, шурфов и других выработок,
• организация водоотвода дренажных вод шахтного водоотлива и подземных вод гидрогеологических опытов.
• физическая компенсация вероятного ущерба объектам эксплуатации подземных вод,
• опытно-фильтрационные наблюдения при шахтном водоотливе,
• выбор щадящих методов геотехнологического опробования,
• выбор подходящих площадок под отвалы горно-разведочных работ и их рекультивация,
• ликвидация баз геолого-разведочных партий по завершении работ.

Перечисленные природоохранные меры являются традиционными видами работ геолого-разведочного производства. Однако сложившаяся практика свидетельствует о низком, необязательном или поверхностном уровнях их исполнения. В данной работе обосновывается необходимость придания этим видам работ статуса природоохранных мер с отражением его в нормативных документах, лицензионных соглашениях, документах экологической экспертизы.

Рекомендации по природоохранным мерам будущих горнодобывающих производств

В данном случае рассматриваются рекомендации к проектам природоохранных мер будущей эксплуатации месторождений.

Данные рекомендации рассматриваются как предмет природоохранных разделов ТЭО кондиций и отчетов с подсчетом запасов твердых полезных ископаемых, представляемых для геолого-экономической и предпроектной экологической экспертизы в ГКЗ РФ.

Данные рекомендации, возникающие на предпроектных стадиях разведки, носят прогнозный характер.

Природоохранная деятельность поисковых и разведочных производств — источник информационного обеспечения предполагаемых рекомендаций, а в дальнейшем — проектных решений по природоохранным мерам.

Обычно рассматриваются природоохранные меры трех видов: а) превентивные, б) сопутствующие (сопутствующие функционированию источники воздействия), в) ликвидационные (реализуемые после завершения функционирования источников воздействия).

Предметом настоящего раздела в основном и являются рекомендации по превентивным природоохранным мерам.

Рекомендации по способам отработки месторождений

Решения по способам отработки месторождений рассматриваются уже при составлении и апробации в ГКЗ РФ ТЭО разведочных кондиций, т.е. на предпроектном уровне. Рассматриваются способы подземной, открытой, геотехнологической и комбинированной отработки. В природоохранном отношении эти способы неравноценны. Способ открытой разработки отличается наибольшим объемом извлекаемой горнорудной массы, большей площадью отчуждаемых земель, кардинальным нарушением ландшафта. В отдельных случаях требуется отведение природных водотоков и ликвидация природных водоемов. Выбор способов отработки месторождений осуществляется на основе геолого-экономических и горно-технических критериев. Действующие законы обязывают дополнять перечень используемых критериев природоохранными соображениями. Чаще всего рассматривается альтернатива: подземный способ — открытый способ отработки. Подземный способ оценивается как относительно щадящий по отношению к природной среде. Возможна также постановка вопроса об экологической допустимости разработки вообще, обсуждается нулевой вариант (отказ от разработки, перевод объекта в резерв или отнесение к забалансу).

Геотехнологические способы отработки месторождений практикуются по двум направлениям: а) организации самостоятельных производств с использованием скважинных систем добычи, б) организации комбинированных систем в основном для доработки месторождений способами открытого выщелачивания (кучное, блочное, отвальное).

Рекомендации по геотехнологическим способам на предпроектных стадиях возможны для первого направления. Превентивной мерой в этом случае является обсуждение нулевого варианта, т.е. допустимости способа подземного выщелачивания в конкретных условиях. Рекомендации по доработке разрабатываемых месторождений — прерогатива последующих стадий.

Природоохранный фактор в обоснование способа отработки месторождений приобретает решающее значение на особо охраняемых территориях, под которыми понимаются государственные заповедники, заказники, национальные парки, ботанические сады и иные особо охраняемые территории [30].

Рекомендации по способам осушения геологического массива при разработке месторождений горным способом

Практикуются две схемы осушения массива: попутного и предварительного осушения. Попутное осушение достигается приемом подземных вод в выработки основного назначения с последующей откачкой их из водосборников одновременно с основными горными работами. Предварительное осушение осуществляется автономными системами скважин, дренажных горных выработок или их комбинацией до начала и в процессе добычных горных работ. Выбор способа осушения в каждом конкретном случае определяется горно-техническими условиями разработки. Основными критериями обоснования схем осушения являются величины прогнозного водопритока и прочностные свойства горных пород. Решения по способам осушения дополняются природоохранными критериями. Это особенно необходимо в отношении схемы сквозных фильтров, обеспечивающих осушение всех водоносных горизонтов, залегающих выше продуктивного пласта. Альтернативой схеме сквозных фильтров может служить схема с сохранением водоупоров, отделяющих эксплуатируемый пласт от вышележащих водоносных горизонтов, осушение которых нежелательно в природоохранном отношении.

Рекомендации по веществу закладки

При обосновании способа отработки месторождения с закладкой выработанного пространства необходимо обоснование вещества закладки. Рекомендация общего характера заключается в необходимости выбора нейтрального вещества. Практикуемые материалы закладки, такие как хвосты обогащения, шлаки и другие материалы не являются нейтральными, напротив, они создают источник последующего гидрохимического воздействия на подземные воды, особенно воды питьевого качества. В каждом конкретном случае желательны рекомендации по природным заполнителям, а при отсутствии таковых — допустимость иных вариантов.

Рекомендации по отводу дренажных вод

Проблема водоотвода связана с гидрохимическим воздействием дренажных вод на поверхностные водотоки и водоемы. В анализе ситуации исходным фактором является схема осушения массива. При автономных схемах техногенное загрязнение дренажных вод минимально, их качество определяется исходным качеством подземных вод. Оно может быть и хорошим, пригодным для многоцелевого использования, и плохим, непригодным для использования. При попутных схемах осушения техногенное загрязнение дренажных вод максимально, вследствие этого дренажные воды всегда низкого качества.

Качество дренажных вод определяет характер рекомендаций по водоотводу. По дренажным водам автономного осушения хорошего качества можно рекомендовать многоцелевую утилизацию, отвод в природные водотоки и водоемы при условии согласования с компетентными органами.

По дренажным водам попутного осушения можно рекомендовать сбор и содержание в бассейнах-накопителях, подземное захоронение и возврат в водоносный горизонт, отвод в речную сеть и природные емкости при условии согласования и водоподготовки.

Рекомендации по природоохранным мерам при гидродинамическом воздействии

Неотъемлемая составная часть рекомендаций этого вида — перечень вероятных объектов воздействия. По данным прогнозных расчетов необходимо ранжировать последствия гидродинамического воздействия по срокам их проявления, т.е. подразделять вероятные объекты ущерба по этому признаку на объекты с непосредственными, близкими и отдаленными последствиями.

По непосредственным и частично близким последствиям рекомендуются превентивные меры. Они и являются предметами настоящих рекомендаций. По отдаленным и частично близким последствиям рекомендуются природоохранные меры с отложенной реализацией, требующей подтверждения данными мониторинга.

При ущербном гидродинамическом воздействии могут быть рекомендованы следующие природоохранные меры: обоснование способа добычи с учетом природоохранных соображений, обоснование схемы осушения, малая реконструкция объектов ущерба, физическая или финансовая компенсация ущерба.

Рекомендации по «мокрой» консервации отработанного пространства

Помимо указанного гидрохимического воздействия, связанного с веществом закладки, аналогичное воздействие при затоплении отработанного пространства («мокрая» консервация) могут оказывать и другие явления. В частности, это возможно за счет остаточных растворов блочного выщелачивания, практикуемого при разработке месторождений урана [60].

В качестве природоохранной меры в таком случае можно предложить способ дозированного затопления, обеспечивающий постепенное разбавление загрязненных вод при сохранении депрессии уровня подземных вод.

В цитируемой работе опасность загрязнения вышележащего водоносного горизонта остаточной серной кислотой при удаленности вероятных объектов воздействия на многие километры преувеличена.

ГЛАВА 7. ПРИРОДООХРАННАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ЭКСПЛУАТИРУЮЩИХ ГОРНОДОБЫВАЮЩИХ И ПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ ПРОИЗВОДСТВ

Природоохранная деятельность эксплуатирующих производств заключается в продолжении геоэкологических исследований, начатых на предпроектных стадиях, в обосновании и реализации превентивных, сопутствующих и ликвидационных природоохранных мер. Особенность геоэкологических исследований на этом этапе в отличие от предыдущего заключается в том, что она осуществляется при функционировании основных источников воздействия на окружающую среду. Оценка воздействия в этих условиях может проводиться по факту проявления или непроявления основных видов воздействия, что повышает достоверность оценок.

Основным видом геоэкологических исследований в этот период становится объектный мониторинг геологической среды.

В качестве потенциальных источников воздействия рассматриваются основные технологические комплексы действующих и остановленных предприятий по добыче, обогащению и переработке руд, оперирующие твердыми, жидкими и газообразными средами и продуцирующие твердые, жидкие и газово-аэрозольные отходы. К ним относятся комплексы горной добычи — карьеры и подземные рудники, объекты открытого выщелачивания — полигоны скважинного, штабели кучного, участки блочного выщелачивания, гидрометаллургические заводы, извлекательные и обогатительные фабрики.

• отвалы пустых пород и склады забалансовых руд как источник деформации ландшафта, отчуждения земель, радиационного воздействия,

• штабели кучного выщелачивания как источники деформации ландшафта, отчуждения земель и радиационного воздействия,
• шахтный и карьерный водоотливы как источники гидродинамического и гидрохимического воздействий на подземные воды и сток малых рек,
• дренажные воды горной добычи при водоотводе как источник гидрохимического и радиационного воздействий на поверхностные водотоки и водоемы,
• остаточные технологические растворы гидрометаллургических заводов, извлекательных и обогатительных фабрик как источник гидрохимического воздействия,
• остаточные растворы открытого (скважинного, блочного и кучного) выщелачивания как источник гидрохимического воздействия на подземные воды и среду обитания,
• подотвальные воды как источник гидрохимического воздействия на поверхностные водотоки, водоемы и поверхность геологического массива,
• фильтрационные потери жидкой фазы хвостохранилищ как источник гидродинамического, гидрохимического и радиационного воздействия на подземные воды и поверхность геологического массива,
• неорганизованные газовые выбросы и пыление как источник газово-аэрозольного воздействия на воздушный бассейн и почвы,
• организованные вентиляционные выбросы добычи и обогащения как источник газово-аэрозольного и радиационного воздействия на воздушный бассейн и поверхность геологического массива,
• природные физико-геологические явления,

• промышленные шумы.

Организация и ведение объектного мониторинга

Обоснование объекта мониторинга

Из данного выше определения мониторинга следует обоснование его объекта как участка геологического массива, заключающего потенциальный источник и вероятный объект воздействия.

В качестве потенциального источника избирается технологический объект, предположительно инициирующий тот или иной вид воздействия. В дальнейшем по мере проявления признаков воздействия объектом мониторинга становится непосредственный источник воздействия, а при отсутствии таких признаков наблюдения проводятся в контрольном варианте.

Объект воздействия и вероятного ущерба устанавливается на предпроектных стадиях. Обоснование объектов ущерба при мониторинге заключается в переводе объектов ущерба по факту проявления воздействия из категории вероятных в категорию действительных.

Предмет объектного мониторинга

Предметом мониторинга является физическая модель воздействия источника на геологический массив, подземную гидросферу и поверхностный сток. Для источников, связанных с отбором подземных вод, это депрессионные воронки, для источников, связанных с притоками в водоносные горизонты, это конусы репрессии. Для источников, связанных с привносом растворенного вещества в водоносные горизонты это ареалы растекания и ореолы рассеяния индикаторов. Для источников газово-аэрозольного воздействия это ореолы загрязнения почв и воздушные ореолы.

В задачу мониторинга входит воспроизведение в натуре физической модели последствий в объеме, достаточном для экстраполяции пространственно-временных закономерностей воздействия в конкретных геолого-гидрогеологических условиях участка.

Воспроизведенная физическая модель воздействия обеспечивает возможность прогнозных мониторинговых оценок.

Пример физической модели гидрохимического воздействия — ореол рассеяния — показан на рис. 5.

Стадийность ведения мониторинга

Предварительная стадия относится к периоду времени, когда технологический источник существует, но признаков воздействия нет. В этом случае осуществляется контрольный вариант мониторинга. Цель его — обоснование необходимости полномасштабного мониторинга или отсутствия такой необходимости, т.е. предусматривается два варианта событий: а) по данным контрольных наблюдений признаки воздействия фиксируются, и мониторинг предварительной стадии переводится в следующую стадию более детальных наблюдений, б) признаки воздействия не фиксируются, и мониторинг ограничивается простейшими контрольными наблюдениями.

Продолжение контрольных наблюдений при действующем технологическом источнике воздействия вызывается необходимостью аргументированной реакции на претензии заинтересованных субъектов окружающей среды и контролирующих органов.

Производственная стадия относится к периоду нормального функционирования технологического источника с проявлением признаков непосредственного воздействия в окружающей среде. В этом случае осуществляется полномасштабный мониторинг. Основные задачи мониторинга на производственной стадии — прослеживание пространственно-временных закономерностей распространения воздействия в окружающей среде, т.е. воспроизведение физической модели воздействия в натурных условиях. На этой основе производится прогноз последствий воздействия или коррекция прогноза. Цель мониторинга на этой стадии — информационное обеспечение проектов сопутствующих и ликвидационных природоохранных мер.

Ликвидационная стадия мониторинга относится ко времени остановки технологического и затуханию непосредственного источника воздействия. Основные задачи мониторинга на этой стадии — прослеживание закономерностей релаксации (восстановления) и оценка эффективности ликвидационных природоохранных мер по факту их реализации. Цель мониторинга данной стадии — информационное обеспечение проектов ликвидационных природоохранных мер.

Объектный мониторинг предприятий по добыче и переработке руд представляет собой единый процесс исследования. Однако на различных этапах этого процесса изменяются цели и задачи наблюдений. Стадийность мониторинга обеспечивает своевременную коррекцию ведения наблюдений.

Наблюдательные сети, периодичность наблюдений, индикаторы воздействия

Прослеживание различных видов воздействия достигается использованием совокупности стационарных пунктов наблюдения — скважин, гидрометрических постов, мест опробования различных сред (почв, воздуха, вод). Совокупность пунктов наблюдения представляет собой пространственную систему, обеспечивающую воспроизведение пространственно-временных закономерностей распространения воздействия, называемую наблюдательной сетью. На предварительной стадии мониторинга это одиночные пункты наблюдения, задаваемые вблизи технологических источников воздействия. Собственно наблюдательная сеть развивается по мере проявления признаков воздействия по результатам наблюдений в отдельных пунктах. Количество наблюдательных пунктов, их расположение и расстояние между ними и представляют собственно наблюдательную сеть.

Периодичность наблюдений также не задается раз и навсегда, а корректируется в зависимости от степени и характера воздействия и результатов наблюдений. Примеры периодичности замеров можно видеть на рис. 6, 7.

Мониторинг водоотлива и водоотбора

Под водоотливом понимаются все виды извлечения подземных вод, практикуемые для осушения геологического массива.

Водоотбор — все виды использования подземных вод для водоснабжения горнорудного предприятия и других целей.

Объектами мониторинга при водоотливе являются водоприемная система, система водоотвода, эксплуатируемые и смежные водоносные горизонты, эксплуатируемые водотоки и водоемы-приемники дренажных вод. Непосредственным источником воздействия на подземную и поверхностную гидросферы являются дренажные воды. Собственно водоотлив обусловливает гидродинамическое воздействие на подземные и поверхностные воды. Водоотвод — гидрохимическое и радиационное воздействие на поверхностные водотоки и водоемы.

Предметом мониторинга при водоотливе служат депрессионные воронки в пределах эксплуатируемого и смежных водоносных горизонтов и ореолы рассеяния дренажных вод в гидрографических сетях.

Индикатор гидродинамического воздействия — это понижение уровня подземных вод и величина водопритока подземных вод к водоприемной системе. Индикаторами гидрохимического воздействия являются содержание механической взвеси в дренажных водах и водах водотока-приемника и содержание представительных компонентов химического состава. Ими могут быть компоненты исходного состава подземных вод, компоненты мобилизации, характерные для конкретного вещественного состава эксплуатируемого рудного месторождения, и технологические добавки системы водоподготовки.

Наблюдательные сети при водоотливе представляют собой систему наблюдательных скважин при прослеживании гидродинамического воздействия и систему гидропостов при прослеживании гидрохимического воздействия водоотвода. Состав работ при мониторинге водоотлива включает, таким образом, систематические замеры водопритока в водоприемных системах и замеры уровня подземных вод в сетях наблюдательных скважин. Наблюдение за составом дренажных вод заключаются в периодическом отборе проб и выполнении лабораторных анализов содержания представительных индикаторов.

По результатам мониторинга водоотлива определяются показатели фильтрационных и емкостных свойств эксплуатируемых и смежных водоносных горизонтов, полностью или фрагментарно воспроизводятся пространственно-временные закономерности формирования депрессионных воронок. По результатам мониторинга водоотвода воспроизводятся пространственно-временные закономерности распространения компонентов дренажных вод от мест их слива в пределах водотоков-приемников.

При гидродинамическом воздействии оценивается его степень. На этой основе определяются объекты ущерба, затем оцениваются ущербные последствия по времени их проявления: непосредственные, близкие и отдаленные. В зависимости от этого оценивается способ реализации природоохранных мер по альтернативе: неотложные меры и меры с отложенной реализацией.

Заключительный шаг оценки — предложения по сопутствующим природоохранным мерам: меры по реконструкции объектов ущерба (водозаборов) и меры по физической компенсации (восполнению) ущерба.

По данным о гидрохимическом воздействии производится оценка водоотвода. Логика этой оценки иллюстрируется схемой (рис. 9). Как видно, в зависимости от качества дренажных вод предлагаются сопутствующие меры по ограничению гидрохимического ущерба по вариантам: накопление в бассейнах, водоподготовка, отвод в гидрографическую сеть при условии согласования, возврат в водоносный горизонт, подземное захоронение.

Рис. 9. Схема отработки рекомендаций по водоотводу дренажных вод

Мониторинг на объектах открытого выщелачивания

Основные непосредственные источники воздействия этих объектов на геологический массив — остаточные сернокислотные растворы в недрах (при скважинном ПВ), в горных выработках (при блочном ПВ), в штабелях (при кучном выщелачивании). Основные при этом гидрохимические и радиационные виды воздействия.

Остаточные растворы в своем составе содержат три группы компонентов: компоненты рабочих растворов, компоненты мобилизации и компоненты передела продуктивных растворов. Все они — компоненты загрязнения природных вод и фильтрующих пород геологического массива. Компонентами радиоактивного загрязнения являются природные радионуклиды уранового и ториевого радиоактивных рядов.

Предметом мониторинга в этих условиях служат ареалы растекания остаточных растворов в недрах при скважинном ПВ, в горных выработках и геологическом массиве — при блочном ПВ, в штабелях и на поверхности — при КВ. Наибольшие по объему ареалы остаточных растворов скважинного ПВ.

Представительными индикаторами гидрохимического воздействия при ПВ урана служат сульфат- и нитрат-ионы. При детализации ареала, установленного по представительным индикаторам, используются и другие индикаторы, например, радиоактивные ионий, полоний, уран и другие нормируемые элементы.

Для общей оценки воздействия источников, связанных с объектами открытого выщелачивания на геологическую среду, предлагается примерная схема (рис. 10).

Рис. 10. Схема отработки рекомендаций по предупреждению и ограничению ущерба от остаточных растворов ПВ

По этой схеме все случаи добычи открытым выщелачиванием разделяются на две группы:

• с условиями, допускающими оставление остаточных растворов в недрах,
• с условиями, не допускающими оставление остаточных растворов в недрах после прекращения добычи.

Оставление остаточных растворов в недрах можно считать возможным при следующих допущениях:

• последствия миграции остаточных растворов в обозримом будущем не приводят к необратимому ущербу действующим, проектируемым и вероятным источникам централизованного водоснабжения,
• нахождение остаточных растворов в недрах исключает проявление их на поверхности земли и не угрожает среде обитания.

Наличие таких условий — признак, разрешающий оставление растворов в недрах, отсутствие их — признак, запрещающий оставление. При этом под оставляемыми растворами помимо растворов скважинного ПВ подразумеваются фильтрационные потери КВ и раствора блочного выщелачивания, оставляемые при затоплении горных выработок.

По схеме (см. рис. 10) разрешение этой альтернативы в пользу первой группы условий предполагает меры по ограничению воздействия: выбор щадящей технологии, ограничение производительности предприятия, утилизация растворов в технологическом цикле. Разрешение альтернативы в пользу второй группы условий обязывает к мерам по предупреждению и ликвидации ущерба: отказ от эксплуатации, рекультивация водоносного горизонта с извлечением и переработкой растворов, подземное захоронение в пригодные для этой цели водоносные горизонты.

Требования к наблюдательным сетям и периодичности гидрохимического опробования зависят от способа открытого выщелачивания и оценок по указанной схеме. Так, при скважинном подземном выщелачивании предметом мониторинга на ликвидационной стадии является ареал растекания остаточных растворов. Основная задача наблюдений — контроль положения ареала в пространстве. Для этого требуется относительно равномерная сеть наблюдательных скважин. В их качестве используются подготовленные для этой цели технологические скважины добычных полигонов. Изменение положения оставленного ареала — процесс медленный, поэтому начальную периодичность опробования можно принять ежеквартальной.

При блочном подземном выщелачивании предмет мониторинга — растворы смешения при ликвидационном затоплении добычных горных выработок. Для опробования можно использовать имеющиеся наблюдательные сети гидродинамического мониторинга. Периодичность опробования в начальный период ежемесячная с последующей коррекцией.

При кучном выщелачивании предмет мониторинга — фильтрационные потери технологических растворов, которые по техническим условиям не должны быть большими. Мониторинг в этом случае ограничивается контрольным вариантом. После завершения процесса КВ предметом мониторинга становятся остаточные растворы, их нейтрализация и водоотвод.

Мониторинг фильтрационных потерь из хвостохранилищ

Объектом мониторинга данного вида является участок геологического массива с хвостохранилищем. Хвостохранилища как инженерные сооружения, предназначенные для складирования и хранения отходов гидрометаллургических заводов, извлекательных и обогатительных фабрик, состоят из емкостей, ограничивающих дамб с дренажами, оснований из водоупорных материалов. По условиям поверхности различают хвостохранилища равнинного и овражного типов, по способам укладки хвостового материала — хвостохранилища наливного и намывного типов. В хвостохранилища складируются твердые отходы дробления и измельчения, насыщенные растворами технологических реагентов. Гранулометрический состав твердой фазы — от пылеватых до грубопесчаных фракций. Укладка осуществляется в виде кека или пульпы с Ж:Т = 8 — 10 (гидравлический способ). В качестве жидкостей для гидротранспорта используются и остаточные технологические растворы.

Поверхность хвостохранилища занимает пруд-отстойник, окруженный пляжами. При гидравлическом способе складирования (намыва) достигается необходимая дифференциация хвостового материала: илы в центре, грубозернистые пески на периферии, что обеспечивает устойчивость тела хвостохранилища. Тело хвостохранилища в течение всего периода складирования находится в водонасыщенном состоянии. При наличии оттока формируется поток хвостовых вод — фильтрационные потери жидкой фазы. Величина фильтрационных потерь в известных нам примерах достигает 1200 — 8000 м3/сут.

Фильтрационные потери жидкой фазы хвостохранилищ — непосредственный источник воздействия на геологический массив. Жидкая фаза хвостохранилищ имеет сложный состав, состоящий из компонентов технологических растворов и компонентов мобилизации — элементов рудного вещества и сопутствующих элементов. По многим показателям имеет место превышение норм. Индикатор гидрохимического воздействия обосновывается в каждом конкретном случае в зависимости от состава жидкой фазы. В качестве индикаторов используются сульфат- и нитрат-ионы гидрохимического воздействия хвостохранилищ ГМЗ урана. Фильтрационные потери служат источником гидрохимического, радиационного и гидродинамического воздействия на подземные воды.

Предметом гидродинамического мониторинга является конус репрессии, формирующийся в водоносном горизонте, подверженном гидродинамическому воздействию. Ущербным следует считать подъем уровня подземных вод до близповерхностных интервалов. Степень ущерба от подъема уровня определяется в зависимости от особенностей конкретных объектов ущерба.

Предмет гидрохимического и радиационного воздействия — ореолы рассеяния или ареалы растекания в водоносных горизонтах. Проявления ореолов или ареалов зависят от соотношения расходов фильтрационных потерь и расходов потоков подземных вод на участках хвостохранилищ. Ущербным является гидрохимическое и радиоактивное загрязнение водоносных горизонтов питьевого качества выше норм. Объекты ущерба — собственно водоносные горизонты и водозаборы подземных вод.

Основная задача мониторинга фильтрационных потерь хвостохранилища состоит в воспроизведении конусов репрессии, ореолов или ареалов растекания жидкой фазы. Примеры воспроизведения ореола рассеяния урана в хвостохранилище ГМЗ и в водоносном горизонте показаны на рис. 4, 5. На рис. 4 показан ореол рассеяния урана в теле хвостохранилища, а на рис. 5 - ореол в водоносном горизонте. В данном случае расход фильтрационных потерь был существенно меньше расхода потока подземных вод, поэтому гидродинамическое воздействие было незначительным и конус репрессии не проявлен. Рис. 5 дает представление о наблюдательной сети, позволившей полностью воспроизвести ореол в пространстве и показать его стабильное состояние во времени.

При общей оценке воздействия хвостохранилищ следует придерживаться схемы, представленной на рис. 11.

Рис. 11. Схема оценки гидродинамического и гидрохимического воздействий фильтрационных потерь из хвостохранилищ

Фильтрационные потери могут быть и могут быть сведены к минимуму за счет конструкции основания и выбора площадки.

Удачный выбор площадки и современные конструкции основания (слоистые основания, дренажи и непроницаемые пленки) могут практически исключить фильтрационные потери. В этом случае ни гидродинамическое, ни гидрохимическое воздействие не предполагаются, а мониторинг ограничивается контрольным вариантом (по единичным скважинам).

В других случаях на хвостохранилищах наливного и намывного типов при гидравлическом способе укладки и транспортировки фильтрационных потерь не избежать. В этих условиях определяющая роль принадлежит грунтам под основанием хвостохранилища. При размещении хвостохранилищ на водоупорных грунтах фильтрационные потери образуют поверхностные потоки — подотвальные воды. В результате происходит загрязнение поверхности и гидрографической сети.

При наличии фильтрующих грунтов под основанием хвостохранилища фильтрационные потери становятся непосредственным источником загрязнения подземных вод и гидродинамического воздействия.

В зависимости от соотношения расходов фильтрационных потерь (Q_{\text{п}}) и потоков подземных вод (Q_{\text{в}.\text{г}.}) гидрохимическое воздействие проявляются либо по ореольной схеме при незначительном гидродинамическом воздействии (Q_{\text{п}} \ll Q_{\text{в}.\text{г}.}) , либо по ареальной схеме, когда загрязнение происходит без рассеяния, а гидродинамическое воздействие на поток подземных вод значительно (Q_{\text{п}} \geq Q_{\text{в}.\text{н}.}) . При последнем условии формируется конус репрессии. Возможны промежуточные схемы.

Фильтрационные потери хвостохранилища урановых ГМЗ загрязняют подземные воды природными радионуклидами (уран, ионий, полоний и другие элементы).

Полномасштабный мониторинг фильтрационных потерь хвостохранилищ при наличии объектов ущерба осуществляется в три стадии. В ликвидационную стадию отслеживаются закономерности деградации объемных форм распространения загрязнения и эффективность мер по консервации хвостохранилища.

• * *

Помимо фильтрационных потерь жидкой фазы на хвостохранилищах возможны и другие источники воздействия. Так, наличие в гранулометрическом составе значительного содержания тонкой фракции обуславливает вероятность пыления. В производственную стадию опасность ветрового разноса невелика, поскольку тело хвостохранилища находится в водонасыщенном состоянии, а тонкие фракции сосредоточиваются под прудком.

Вероятность пылевого воздействия возрастает по мере обезвоживания хвостохранилища, что обязывает к консервации в виде покрытия тела хвостохранилища подходящими грунтами и созданием дернового слоя.

При эксплуатации хвостохранилищ возникает необходимость оценки устойчивости бортов во избежание аварийных разрушений с последующим образованием явлений, подобных селям. Расчет устойчивости требует обеспечения исходными данными (угол внутреннего трения и сцепления), которые определяются методом сдвиговых лабораторных испытаний образцов хвостового материала. Для отбора образцов бурят скважины в теле хвостохранилища. Для оценки указанных видов воздействия мониторинг не обязателен, работы по обеспечению такой оценки носят разовый характер.

По результатам мониторинговых и разовых оценок хвостохранилищ принимаются следующие решения по природоохранным мерам:

• продолжение безопасной эксплуатации,
• решение о досрочном прекращении ущербной эксплуатации хвостохранилища,
• решение по мерам физической компенсации ущерба,
• решения по досрочным или проектным мерам консервации хвостохранилища,
• решение о прекращении или продолжении мониторинга.

• * *

В целом при оценке воздействия эксплуатирующего объекта на геологическую среду удобно пользоваться схемой (рис. 12).

Рис. 12. Схема оценки последствий деятельности добычного и перерабатывающего комплексов

По результатам описанных мониторинговых и разовых оценок по всем источникам и видам воздействия принимаются решения о необходимости, последовательности реализации и содержании природоохранных мер. Наряду с изложенными необходимы дополнительно следующие итоговые оценки:

• квалификация последствий по степени воздействия в качестве ущербных и неущербных,
• ранжирование ущербных последствий по времени проявления как непосредственные, близкие и отдаленные,
• квалификация природоохранных мер как мер неотложных, мер с отложенной реализацией и мер ликвидационных,
• решение на продолжение мониторинга в контрольном или полномасштабном варианте.

ЛИТЕРАТУРА

1. Абрамов А.А. Технология окисленных и смешанных руд цветных металлов/М.: Недра, 1986. 206 с.