Оценка и прогноз гидрогеологических условий территории Кизеловского угольного бассейна после закрытия шахт

Имайкин, Александр Камильевич

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Оценка и прогноз гидрогеологических условий территории Кизеловского угольного бассейна после закрытия шахт
ВАК РФ 25.00.07, Гидрогеология

Автореферат диссертации по теме "Оценка и прогноз гидрогеологических условий территории Кизеловского угольного бассейна после закрытия шахт"

На правах рукописи

005052935 ^

Имайкин Александр Камильевич

ОЦЕНКА И ПРОГНОЗ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ТЕРРИТОРИИ КИЗЕЛОВСКОГО УГОЛЬНОГО БАССЕЙНА ПОСЛЕ ЗАКРЫТИЯ ШАХТ

Специальность 25.00.07 — Гидрогеология

АВТОРЕФЕРАТ

о 4 ОКТ 2012

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Пермь 2012

005052935

Работа выполнена на кафедре динамической геологи и гидрогеологии ФГБОУ ВПО «Пермский государственный национальный исследовательский университет»

Научный руководитель Блинов Сергей Михайлович,

кандидат геолого-минералогических наук, доцент

Официальные оппоненты: Абдрахманов Рафил Фазылович

доктор геолого-минералогических наук, профессор, г. Уфа

Михаилов Юрий Васильевич кандидат геолого-минералогических наук, доцент, г. Нижний Тагил

Ведущая организация: Открытое акционерное общество

«Межотраслевой научно-исследовательский и проектно-технологический институт экологии топливно-энергетического комплекса», г. Пермь

Защита состоится 25 октября 2012 года в 1513 часов на заседании диссертационного совета Д 212.189.01 при Пермском государственном национальном исследовательском университете по адресу: 614990, г. Пермь, ул. Букирева, 15. корпус 1, этаж 4, зал заседаний ученого совета.

Отзывы на автореферат, заверенные печатью учреждения, в двух экземплярах просим направлять по адресу: 614990, г. Пермь, ул. Букирева, 15, Пермский государственный национальный исследовательский университет, ученому секретарю диссертационного совета.

Факс: (342)239-68-32; e-mail: geophvsic@,psu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пермского государственного национального исследовательского университета.

Автореферат разослан сЛОъ сентября 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.189.01 доктор технических наук, професо

В. А. Гершанок

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

В соответствии с программой реструктуризации угольной отрасли РФ в период с 1993 по 2000 г. были ликвидированы все угледобывающие предприятия Кизеловского угольного бассейна вследствие большой себестоимости угля и высокого уровня травматизма. Закрытие шахт повлекло их затопление шахтными водами, которые ранее откачивались на поверхность водоотливными установками. Шахтные воды -это воды, образовавшиеся из подземных, поверхностных и технологических вод, поступивших в подземные горные выработки шахт и испытавших изменение состава и свойств за время пребывания в пихте. В результате в отработанных шахтных полях образовались техногенные водоносные горизонты, содержащие десятки миллионов кубометров кислых шахтных вод. Как и во время функционирования угледобывающих предприятий, шахтные воды отличаются высоким содержанием железа, алюминия и ряда микрокомпонентов. Разгрузка шахтных вод на поверхность сопровождается экстремальным загрязнением рек и донных отложений. Данный процесс достаточно хорошо изучен, а результаты исследований отражены в публикациях А.П. Красавина, М.П. Ким, Р.Т. Сафина, Б.А. Бачурина, С.М. Блинова, Н.Г. Максимовича, ЕА. Меньшиковой, С.С. Потапова и др.

Формирование гидродинамического и гидрохимического режимов подземных и шахтных вод на полях затопленных шахт к настоящему времени изучено недостаточно. Публикации по этой проблеме практически отсутствуют. Наиболее сложными для исследования являются ситуации, когда шахтные воды разгружаются не на поверхность, а в горизонты подземных вод через естественные и техногенные трещины, скважины и подземные горные выработки. Подобный характер носит разгрузка шахтных вод на Коспашском месторождении и шлях шахт «9-Делянка», «Ключевская», «Шумихинская». Перетоки шахтных вод в водоносные горизонты вызывают экстремальное загрязнение подземных вод и исключают их из хозяйственного использования. Последующая разгрузка этих вод на поверхность влечет загрязнение рек, деградацию почв, растительности и животного мира. Наибольшее негативное воздействие на режим подземных вод оказывают шахтные воды на территории Коспашского месторождения. Воды визейско-башкирского горизонта, экстремально загрязненные на поле ш. «Широковская», движутся на север, где на поле ш. им. 40-летия ВЛКСМ этот горизонт является единственным источником водоснабжения пос. Северный Коспашский. В этих условиях весьма актуальным является изучение формирования режимов подземных и шахтных вод на затопленных шахтных полях, прогноз их изменения во времени и оценка возможности изменения режимов подземных и шахтных вод в целях предотвращения загрязнения подземных вод.

Объект исследований - подземные и шахтные воды Кизеловского угольного бассейна. Выбор объекта сделан исходя из того, что подземная гидросфера, особенно на Коспашском месторождении угля, испытала большие изменения вследствие затопления закрытых шахт.

Предмет исследований - изменение гидродинамического и гидрохимического режимов подземных и шахтных вод Коспашского месторождения угля.

Цель работы - оценка и прогноз гидрогеологических условий основных месторождений Кизеловского угольного бассейна, особенно территории Коспашского месторождения угля;

- создание концептуальной модели гидрогеологических условий Коспашского месторождения угля после затопления закрытых шахт и разработка на ее основе концепции оптимизации гидродинамического и гидрохимического режимов подеемных и шахтных вод.

Основные задачи исследований

• Проанализировать и обобщить литературные и фондовые материалы по гидрогеологии Кшеловского угольного бассейна.

• Рассмотреть факторы, определяющие гидродинамический и гидрохимический режимы подеемных и шахтных вод основных месторождений Кшеловского бассейна, включая Коспашское, после ликвидации шахт.

• Обосновать метод прогнозирования и выполнить прогноз расходов и химического состава подземных и шахтных вод.

• Обосновать целесообразность и возможность понижения уровня затопления коспашских шахт для прекращения негативного воздействия шахтных вод на гидрохимический режим вшейско-башкирского горизонта.

Фактический материал

Работа выполнена на основании данных полевых работ по изучению в 19732011 гг. режима подземных и шахтных вод на территории Кшеловского угольного бассейна, включая Коспашское месторождение, и сопутствующих лабораторных работ. Для периода отработки угольных месторождений использовались материалы систематических наблюдений, проводившихся гидрогруппой Кизеловской ГРП в 1973-1990 гг. После закрытия шахт использовались данные мониторинга подземных вод, выполнявшегося в 2000-2002 гг. институтом ФГУП МНИИЭКО ТЭК, и гидрогеологических наблюдений, проведенных в составе геоэкологического мониторинга в 2001-2011 гг. Уральским центром социально-экологического мониторинга углепромышленных территорий (УЦСЭМ УТ). Кроме этого использовались геолого-маркшейдерская документация шахт и геологические отчёты по разведке шахтных полей Коспашского месторождения.

За период исследований выполнено более тысячи замеров уровней подземных вод и расходов подеемных и шахтных вод. Отобрано свыше тысячи проб поверхностных, подземных и шахтных вод и проведено исследование их химического состава. Автор принимал непосредственное участие в полевых работах института и центра мониторинга по изучению режима подеемных и шахтных вод в Кизеловском бассейне по источникам, шливам шахтных вод и скважинам. В 2010 г. с сотрудниками УЦСЭМ УТ проводил гидрогеологическую съемку по долинам рек Полуденный Кизел и Восточный Кшел.

Научная новизна

Выявлен характер гидравлической связи подземных и шахтных вод на затопленных шахтных полях Коспашского месторождения.

Выполнен прогноз возможной длительности образования кислых шахтных вод по содержанию пиригного железа в угле.

Предложен метод прогноза изменения химического состава шахтных вод, изливающихся на поверхность, в первые 15-25 лет их шлива.

Разработана концепция оптимизации гидродинамического и гидрохимического режимов подеемных и шахтных вод.

Практическая иенность работы

Дана оценка и прогноз гидрогеологических условий территории Кшеловского угольного бассейна после закрытия шахт.

Определена граница загрязнения вгоейско-башкирского водоносного горизонта шахтными водами на территории Коспашского месторождения.

Дана положительная оценка перспективы эксплуатации водозаборов подземных вод всех поселков на территории Коспашского месторождения.

Разработана концепция оптимизации гидродинамического и гидрохимического режимов подземных и шахтных вод Коспашского месторождения для прекращения загрязнения вюейско-башкирского горизонта.

Основные защищаемые положения

1. Оценка гидрогеологических условий Кизеловского угольного бассейна после прекращения его эксплуатации. Концептуальная модель формирования режимов подземных и шахтных вод в условиях затопленных шахт Коспашского месторождения.

2. Прогноз изменания режимов подземных и шахтных вод.

3. Концепция оптимизации гидродинамического и гидрохимического режимов подземных и шахтных вод Коспашского месторождения.

Апробаиия работы

Основные результаты исследований доложены и обсуждены на 10 научных конференциях, в том числе всероссийского и международного уровня.

Личный вклад автора

Личный вклад автора заключается в его участии в период 2001-2011 гг. в полевых работах на территории Кизеловского бассейна, обработке информации и обобщении результатов исследований, проводившихся в бассейне в период его эксплуатации и после прекращения добычи угля. Автор является одним из исполнителей договорной работы по подготовке исходных данных для проектирования очистных сооружений шахтных вод на Коспашском месторождении.

Публикация результатов исследований

Автором опубликовано 29 работ; из них по теме диссертации - 17, в том числе 2 публикации в издании из списка ВАК (см. список публикаций).

Объем и структура

Диссертация объемом 147 страниц машинописного теста состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы, включающего 103 источника. В ней содержится 29 рисунков и 11 таблиц.

В процессе работы автор пользовался поддержкой и консультациями С.М. Блинова - научного руководителя, сотрудников кафедры динамической геологии и гидрогеологии. Автор постоянно чувствовал поддержку коллектива лаборатории экологической геологии ЕНИ ПГНИУ. Особая признательность К.К. Имайкину и В.Г. Имайкинойза постоянную помощь и консультации в написании работы, В.К. Бояршинову и С.И. Романову за предоставление материалов гидрогеологического мониторинга на территории Кизеловского бассейна.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Характеристика района исследований

В главе дается краткая характеристика Кизеловского каменноугольного бассейна и основных факторов, определяющих условия формирования режимов подземных и шахтных вод после ликвидации шахт. К этим факторам относятся: геоморфологическое и геологическое строение основных угольных месторождений, гидрогеологические условия шахтных полей, климат района исследований,

проведенные ранее горные работы. Повыпвнное внимание уделяется при этом территории Коспашского месторождения угля.

1.1. Общие сведения. Кизеловский угольный бассейн расположен в восточной части Пермского края. В виде узкой полосы шириной 5-20 км он протягивается на 150 км вдоль западного склона Урала. Площадь бассейна около 1500 км2 (рис. 1, 2). Наиболее интенсивно запасы бассейна отрабатывались в 1940-1980 гг., пик добычи -12 млн. т, был достигнут в 1959-1961 гг. Отличительной особенностью углей является высокое содержание в них серы, преимущественно пиригной, составляющее в среднем по разным источникам 6,5% Широкое распространение имеют карбонатные породы, выходы которых занимают около 80 % территории бассейна. Климат района континентальный, среднегодовое количество осадков составляет 909 мм, величина испарения равна 452 мм. В этой обстановке большое количество осадков - 457 мм, идёт на формирование поверхностного и подземного стоков. Данное обстоятельство в сочетании с залесённостью территории и широким распространением карстующихся пород определяет хорошие условия питания подземных вод.

Коспашское месторождение угля находится в северо-восточной части Кизеловского бассейна. Среди коспашских шахт самое северное положение занимает поле ш. им 40-летия ВЛКСМ, южнее последовательно располагаются поля шахт «Коспашская» и «Широковская» (см. рис. 1, 2). Рельеф района пересеченный. Наиболее высокое положение с отметками до 460 м занимает поле ш. «Широковская», минимальной отметкой - 276 м, характеризуется поле ш. 42, входящей в состав ш. им 40-летия ВЛКСМ, по долинам рек Полуденный Кюел и Восточный Кизел.

1.2. Геологические условия. Кюеловский угольный бассейн находится на территории Западно-Уральской зоны складчатости и имеет надвиго-складчатое строение. Для складок характерна большая протяженность, измеряемая десятками километров, при сравнительно небольшой ширине. Основными складчатыми структурами, с которыми связаны наиболее значительные месторождения угля, являются: Главная Кизеловская антиклиналь (ПСА), Косьвинская, Коспашско-Полуденная (КПС) и Гремячинская синклинали. Складчатые структуры осложнены многочисленными разрывными нарушениями, наиболее крупными из которых являются Луньевско-Чусовской, Коспашский, Косогорский, Басковский, Журавлинский и Четырехбратский надвиги. Стратиграфическая амплитуда этих нарушений от нескольких сотен метров до 1,5 км, протяженность - десятки километров. В геологическом строении бассейна принимают участие осадочные породы палеозойского возраста от нижнего девона до аргинского яруса нижней перми общей мощностью 3000-4000 м. Наиболее полным является разрез на площади ПСА, к востоку его представительность снижается.

Негативное воздействие разработки месторождения на геологическую среду проявляется, в основном, в границах нижнего и, отчасти, среднего отделов каменноугольной системы. С учётом этого геологическое описание разреза даётся лишь для С] и С2. Нижний отдел включает турнейский, визейский и серпуховский ярусы. Турнейский ярус (Cit) имеет карбонатно-терригенный разрез,

2 500 5 ООО

Условные

Территория Кизеловского угольного бассейна

Территория Коспашского месторождени Стволы шахт Наблюдательные скважины и их номера Водозаборные скважины и их номера Гелогоразведочные скважины по линии продольного разреза и их номера Проектируемые скважины централизованно выпуска шахтных вод

Источники подземных вод Шахтные поля Породные отвалы Болото

Линии тектонических нарушений Геологические границы Линия геологического разреза (рис. 2)

Рис. 1. Обзорная схема Коспашского месторождения угля

им. 40 летня ВЛКСМ

Белый спой

Условные обозначения

Ф Месторождение Главной Кизаловской антиклинали (2) Коспашское месторождение

©Месторождение Косьвинской синклинали (4) Гремячинское месторождение

К®Л Населенные пункты и их название

Рис. 2. Схема Кизеловского угольного бассейна

сложенный известняками, песчаниками, алевролитами и аргиллитами общей мощностью около 300 м. Нижняя и средняя части вшейского яруса представлены угленосной толщей (hC,v1+2) средней мощностью от 150 м на ПСА до 250 м - на Гремячинской синклинали. Сложена толща, в основном, песчаниками, а также алевролитами и аргиллитами. В ней имеются 5 рабочих пластов угля под номерами 19, 13, 11, 9 и 5. Верхневизейский подъярус и серпуховский ярус (C^-te) сложены закарстованными карбонатными

породами мощностью до 300 м. Средний карбон представлен башкирским и московским ярусами. Башкирский ярус сложен известняками мощностью 4060 м. Нижняя часть московского яруса сложена глинистыми известняками и известковистыми аргиллитами общей мощностью до 130 м и является региональным водоупором. Верхняя часть представлена известняками и доломитами. Общая мощность яруса 225270 м. Выходы палеозойских пород на поверхность перекрыты четвертичными отложениями мощностью 5-160 м, представленными суглинками и супесями по выходам угленосной толщи, суглинками и глинами - по выходам карбонатных пород.

Коспашское месторождение угля находится в границах КПС. Западное крыло синклинали нарушено

Коспашским надвигом, имеющим амплитуду до 600 м, средняя часть осложнена антиклинальным поднятием, разделяющим структуру на две синклинальные складки. Угленосная толща имеет здесь среднюю мощность около 200 м, она содержит три рабочих

пласта угля: 13 мощностью до 3 м, 11 мощностью 1-2 м и 9 мощностью около 1 м. В остальном геологический разрез месторождения соответствует приведенному выше. Характерная мощность четвертичных отложений на площади развития карбонатных пород равна 20-40 м. Наиболее значительной она является на поле ш. «Широковская», составляя, в среднем, 40 м.

1.3. Гидрогеологические условия. В соответствии с гидрогеологическим районированием, выполненным ВСЕГИНГЕО, восточная часть Пермского края относится к Большеуральскому сложному бассейну корово-блоковых (пластово-блоковых) и пластовых вод. На территории Кшеловского угольного бассейна, расположенного в границах Западно-Уральской зоны складчатости, по Л.А. Шимановскому и ЕА Иконникову выделяются следующие водоносные комплексы:

• визейско-артинский карбонатный-С^з+в-Р^;

• Западно-Уральский спорадически обводненный региональный водоупор -

ЬС^н-г (угленосная толща);

• франско-турнейский карбонатный - 02Гг-С]1;

• девонский терригенный-Б.

Кроме этого, после затопления отработанных шахтных полей, в составе угленосной толщи образовался техногенный горизонт шахтных вод.

Визейско-артинский водоносный комплекс трещинно-карстовых вод на площади Кшеловского басейна состоит из двух водоносных горизонтов: московско-артинского и вшейско-башкирского, разделенных региональным водоупором. Влияние горных работ ограничивается, в основном, вюейско-башкирским горизонтом, который и будет рассматриваться ниже. Данный горизонт, является наиболее водообильным. Удельные дебеты вскрывших его скважин превышают, в среднем, 1 л/с. К горизонту приурочен ряд источников с дебитом более 100 л/с. Трещинно-карстовые воды горизонта в естественных условиях имеют гидрокарбонатно-кальциевый состав и минерализацию до 0,5 г/дм3. Они используются для водоснабжения городов Кизела и Гремячинска, пос. Северный Коспашский. Вшейско-башкирский горизонт принимал участие в обводнении большинства шахт бассейна, становясь на многих из них, включая коспашские шахты, основным источником формирования шахтных вод. В результате сработки естественных запасов горизонта уровень трещинно-карстовых вод на ряде шахтных полей основных месторождений угля понизился на согни метров от естественного. На восточном крыле шахты» Широковская» визейско-баширский горизонт был сдренирован горными выработками полностью. Исключением является Гремячинское месторождение, где горные работы оказывали сравнительно небольшое дренирующее влияние на воды горизонта и они испытали весьма незначительное понижение (табл. 1).

Питание вшейско-башкирского горизонта происходит преимущественно за счет поглощения дождевых и талых вод многочисленными карстовыми воронками на площади развития горизонта. Большое количество осадков и широкое площадное распространение горизонта способствуют формированию значительных естественных ресурсов горизонта в бассейне. На этом фоне питание вшейско-башкирского горизонта на Коспашском месторождении, особенно на поле шахты «Широковская», является затрудненным из-за наличия здесь слабопроницаемых четвертичных отложений большой мощности, и небольшого количества карстовых воронок.

Комплекс трещинно-пластовых вод угленосной толщи приурочен к пластам песчаников, разделенных между собой пластами аргиллитов и угля, являющимися в ненарушенном состоянии хорошими водоупорами. Он характеризуется в Кшеловском бассейне невысокой, в целом, но весьма неравномерной водообильностью. Подавляющее большинство скважин, вскрывших его, имеют дебигы менее 1 л/с и удельные дебигы до 0,25 л/с. Повышенной водообильностью, относительно характерной для бассейна, отличалась угленосная толща на

Коспашском месторождении при ведении горных работ, что во многом обусловлено сильной тектонической нарушенностью месторождения, как складчатой, так и разрывной. Высокой водообильностью характеризовались угленосные отложения в зоне Коспашского надвига. Для исключения прорывов подземных вод из зоны нарушения вдоль этого надвига по всем шахтным полям был оставлен барьерный целик. Воды рассматриваемого комплекса гидрокарбонатно-кальциевые с минерализацией до 0,5 г/дм3. Подземные горные работы оказывали самое сильное дренирующее влияние на водоносный комплекс. В результате уровень трещинно-пластовых вод понижался до отметок нижних горизонтов шахт. Питание комплекса происходит, в основном, за счёт атмосферных осадков на выходах угленосной толщи под покровные отложения.

Таблица 1

Изменение уровней вод визейско-башкирского горизонта на основных месторождениях угля во время эксплуатации и после затопления шахт

Основное месторождение угля

Поле шахты

Состояние подземных вод на 01.1991 г.

Абс. уровень,

Понижение от естест. уровня,

Состояние подземных вод на 01.2012 г.

Абс. уровень,

Повышение уровня, м

Главной

Кизеловской

антиклинали

им. Ленина

(-)140

339

199

339

Коспашское

«Широковская»

Косьвинское

«Центральная»

290 >467

223

Гремячинское

«Западная»

235

251

290 467 16

Рассматриваемые гидрогеологические подразделения во время работы шахт оказывались гидравлически связанными по зонам крупных разрывных нарушений и техногенным трещинам от сдвижения пород над вынутыми пластами, а также по отдельным скважинам и горным выработкам. По перечисленным каналам происходило поступление трещинно-карстовых вод визейско-башкирского горизонта в нижележащий водоносный комплекс, интенсивно дренируемый горными выработками. В процессе затопления шахт и после его окончания по этим же каналам может происходить переток подземных вод угленосной толщи и шахтных вод техногенного горизонта в горизонт трещинно-карстовых вод. Выходы угленосной толщи на крыльях КПС занимают в рельефе более высокое положение относительно отложений С^з+э, выполняющих среднюю часть синклинали. Вследствие этого уровни подземных вод в угленосных отложениях в естественных условиях находились на более высоких отметках, чем уровни трещинно-карстовых вод визейско-башкирского горизонта.

Франско-турнейский водоносный комплекс практического участия в обводнении шахт не принимал за исключением отдельных случаев проведения горных выработок по девонским и турнейским отложениям. В зоне активного водообмена воды комплекса характеризуются хорошим качеством и широко используются для водоснабжения населенных пунктов, включая поселки Центральный Коспашский и Южный Коспашский. Затопление отработанных шахтных полей на водоснабжении поселков не отразится.

Девонский терригенный водоносный комплекс вскрывался в бассейне лишь одной выработкой на ш. «Гремячинская» и является слабо изученным.

Техногенный горизонт шахтных вод образовался в результате заполнения шахтными водами выработанного пространства шахт и зоны обрушения кровельных пород над вынутыми угольными пластами. Максимальная мощность техногенного горизонта шахтных вод достигает 30 м. Областью питания горюонта являются выходы угленосной толщи под покровные отложения.

1.4. Горные работы. Добыча угля в Кизеловском бассейне велась с 1797 г. по 2000 г. На большинстве шахт отрабатывалась свита из трех основных угольных пластов бассейна: 13, 11 и 9. По наиболее глубоким шахтам: «Ключевская», им. Крупской и им. Урицкого, глубина ведения горных работ превысила 1 км. Управление горным давлением проводилось, преимущественно, полным обрушением кровли, что сопровождалось образованием техногенных трещин в кровельных породах при их сдвижении в отработанное пространство. Коспашское месторождение эксплуатировалось в 1939-1998 гг., здесь на всех трех шахтах отрабатывались основные угольные пласты. Отработанные поля шахт им. 40-летия ВЛКСМ и «Коспашская» соединены рядом скважин для обеспечения одинаковой отметки их затопления и из лива шахтных вод на поверхность через одну выработку — шурф 2-бис ш. «Коспашская». Поля шахт «Коспашская» и «Широковская» разделены междушахтным целиком.

1.5. Шахтные воды в период эксплуатации бассейна. Шахты Кизеловского бассейна отличались в угольной отрасли большими притоками шахтных вод. По состоянию на 1990 г. средний приток этих вод по бассейну составлял 11382 м3/час, из них 2250 м3/час или 20% приходилось на коспашские шахты (рис. 3).

Характерной особенностью шахтных вод являлось то, что они были кислыми, минерализованными и содержали большое количество загрязняющих веществ, включая ряд микрокомпонентов. Основным фактором, определявшим формирование гидрохимического режима шахтных вод, являлся процесс окисления пирита в углях, приводящий к образованию кислых вод:

Рис. 3. Объемы шахтных вод, откачиваемых шахтами Кизеловского бассейна в 1990 г.

Шахтные воды сбрасывались без очистки в местную речную сеть. Вследствие этого малые реки экстремально загрязнялись и утрачивали свое хозяйственное значение. Загрязнение выше ПДК получали и такие крупные реки Пермского края как Косьва, Усьва, Ю. Вильва и С. Вильва. По подсчётам автора, за один 1990 г. с

шахтными водами только коспашских шахт в реки поступило в растворённом виде свыше 51 тыс. т минеральных веществ, в т. ч. 34 тыс. т сульфатов, 8,1 тыс. т железа и 1,4 тыс. т алюминия. Негативное воздействие шахтных вод на гидросферу во время эксплуатации коспашских шахт ограничивалось лишь загрязнением поверхностных вод.

2. Исследования поверхностных, подаемных и шахтных вод

Во второй главе диссертации описаны все виды систематических наблюдений за поверхностными, подземными и шахтными водами, которые проводились в Кизеловском бассейне разными организациями во время эксплуатации шахт и проводятся в настоящее время. Данные этих наблюдений послужили исходным материалом для написания диссертационной работы.

Наблюдения за подземными водами заключались в изучении их гидродинамического и гидрохимического режимов. В 1973-1990 гг. они осуществлялись Кизеловской ГРП. В 2000-2002 гг. в Кизеловском бассейне, включая территорию Коспашского месторождения, институт МНИИЭКО ТЭК проводил монигориг подаемных вод, а со второй половины 2001 г. и по настоящее время данный мониторинг осуществляется УЦСЭМ У Т.

В 2007-2008 гг. специалистами УЦСЭМ УТ в долинах рек П. Кизел и В. Кизел выявлены три групповых источников подземных вод экстремально загрязненных шахтными водами Два наиболее представительных из них были вклычены в сеть мониторинга подземных вод. В июле 2010 г. специалистами УЦСЭМ У Т совместно с автором работы была проведена гидрогеологическая съемка по долинам указанных рек. При этом были обнаружены и обследованы несколько источников подземных вод, которые раньше не наблюдались.

Основным методом наблюдения за режимом шахтных вод на действующих предприятиях являлась подземная гидрогеологическая съёмка горных выработок шахт. Она проводилась в 1973-1990 гг. Кизеловской ГРП. Использование данных подземной гидросъёмки и результатов наблюдений за гидродинамическим режимом подаемных вод давало хорошие результаты при прогнозировании шахтных водопригоков. В настоящей работе данные гидрогеологической съемки использовались для установления закономерностей формирования шахтных вод и характера их связи с подземными водами.

3. Оценка гидрогеологических условий Ктеловского угольного бассейна после прекращения его эксплуатации. Концептуальная модель формирования режимов подземных и шахтных вод в условиях затопленных шахт Коспашского месторождения

В главе дается краткая оценка состояния гидрогеологических условий на основных месторождениях Кизеловского бассейна после затопления отработанных шахтных полей. Повышенное внимание в ней уделяется рассмотрению формирования режимов подаемных и шахтных вод на Коспашском месторождении. Предлагается и обосновывается указанная выше концептуальная модель.

3.1. Гидродинамический режим визейско-башкирского водоносного горизонта. Прекращение работы шахтных водоотливов и затопление отработанных шахтных полей повлекли за собой восстановление уровней вод визейско-башкирского горизонта, пониженных вследствие дренирующего влияния ведения подаемных горных работ (см. табл.1). Возобновилось функционирование крупных источников,

приуроченных к этому горизонту по долинам рек: Полуденного Кизела на Коспашском месторождении, Большого Кизела и Косьвы на Главной Кизеловской антиклинали, Губашки на Косьвинском месторождении и Гремячей на Гремячинском месторождении. Таким образом, можно говорить о восстановлении, в целом, гидродинамического режима рассматриваемых подземных вод.

3.2. Гидродинамический режим водоносного комплекса угленосной толщи и техногенного горизонта шахтных вод. При затоплении шахт отметка восстановления трещинно-пластовых вод угленосной толщи ограничивается уровнем шахтных вод техногенного горизонта, вследствие хорошей гидравлической связи этих вод. В свою очередь, уровень шахтных вод в затопленных выработках определяется отметкой устья горной выработки, через которую эти воды изливаются на поверхность. Через горные выработки происходит разгрузка шахтных вод на поверхность на всех основных месторождениях бассейна кроме Коспашского. На Коспашском месторождении и поле шахты «Шумихинская» шахтные воды перетекают в вшейско-башкирский горизонт, на полях шахт «9-я Делянка» и «Ключевская» — в водоносный комплекс угленосной толщи.

В соответствии с прогнозом института «ВНИИОСуголь», излив шахтных вод на Коспашском месторождении ожидался из шурфа 2-бис шахты «Коспашская» и шурфа 58 шахты 42. Фактически, после окончания затопления в 2007 г. коспашских шахт, происходит лишь эпизодический излив шахтных вод из шурфа 2-бис, наблюдаемый в период весеннего паводка. Вместе с тем в долинах рек П. Кизел и В. Кизел образовалось большое количество источников кислых подземных вод, приуроченных к визейско-башкирскому водоносному горизонту и водоносному комплексу угленосной толщи. Средний суммарный дебит источников составил в 2011 г. 74 л/с, средний дебет излива шахтных вод из шурфа 2-бис - 7,5 л/с. Источники располагаются в труднодоступной таежной местности, расстояние между наиболее удаленными из них равно 2,5 км. Уровень затопления шахт им. 40-летия ВЛКСМ и «Коспашская» равен 301-303 м, у шахты «Широковская» около 333-335 м.

3.3. Химический состав подземных и шахтных вод на отработанных и затопленных шахтных полях. Эксплуатация большинства шахт не оказывала влияния на гидрохимический режим подземных вод. После затопления отработанных шахтных полей химический состав вод визейско-башкирского горизонта на площади основных месторождений Кизеловского бассейна, кроме Коспашского, не изменился, что свидетельствует об отсутствии влияния на их гидрохимический режим шахтных вод (табл. 2). Иная ситуация сложилась на Коспашском месторождении. Подземные воды многочисленных источников, образовавшихся в долинах рек П. Кизел и В. Кизел, имеют низкие значения рН и содержат в своем составе загрязняющие вещества, характерные для шахтных вод, в количествах больших, чем в шахтных водах, изливающихся на других шахтных полях. В местах выходов подземных вод происходит отложение в больших количествах гидроксидов железа, гибель леса и деградация почв (рис. 4, 5).

14972,00

16773,00

Поле

ш. «Широковская»

Шахтные воды

14890,00

Шурф-

Коспашское м-е

14764,00

2007 16,0

2011 7,5

Таблица 2

Химический состав вод визейеко-башкирского горизонта и шахтных вод

после затопления шахтных полей (мг/дм3)__

Место отбора проб

Ист. 06,08 и др.

2011

Дебит,

л/с

Местоположение

719,00

310,00

273,00

НСОз"

286,35

119,00

300,50

121,00

142,50

СквЛО-тн

Ист. Грифон_

Ист. 029

Месторожд,.ПСА, долина р.Б. Кизел Косьвинское м-е долина р. Губашки Гремячинсхое м-е долина р. Гремячзя Коспашское м-е долина р. П. Кизел

Рис. 4. Источник 030. Выход подземных вод угленосной толщи, загрязненных шахтными водами

Рис.5. Источник 031. Выход вод визейско-башкирского горизонта, загрязненных шахтными водами

3.4. Концептуальная модель формирования режимов подземных и шахтных вод Коспашского месторождения в условиях затопления отработанных шахтных полей. В первой главе отмечалось активное участие трещинно-карстовых вод визейско-башкирского горизонта в формировании шахтных водопритоков на коспашских шахтах при ограниченности их естественных ресурсов, особенно на поле шахты «Широковская», вследствие затрудненных условий питания. В результате воды горизонта на восточном крыле шахты были полностью сдренированы. В этой же главе обращалось внимание на относительно благоприятные условия питания подземных вод угленосной толщи и тесную связь последних с техногенным горизонтом шахтных вод. Процесс затопления шахт в этих условиях характеризовался более быстрыми темпами заполнения выработанного пространства шахтными водами относительно восстановления сработанных запасов визейско-башкирского горизонта. В результате уровень шахтных вод в затопленных выработках был выше, чем у трещинно-карстовых вод и создавались предпосылки для перетока шахтных вод в визейско-башкирский горизонт. Каналами для перетока

могли служить естественные и техногенные водопроводящие трещины, соединяющие горные выработки с визейско-башкирским горизонтом, и квершлаги на полях шахт «Коспашская» и «Широковская», вскрывшие данный горизонт. Хорошими каналами могли явиться подземные гидрогеологические скважины 80-г и 81-г, пробуренные на рассматриваемый водоносный горизонт на шахте «Широковская», соответственно из квершлага 43 на третьем горизонте (рис. 6) и со второго западного горизонта. Перед затоплением шахты обе скважины были открытыми Начальный дебит первой скважины составлял 134 м3/час, у второй - 105 м3/час. Следовательно, по обеим скважинам мог происходить концентрированный переток шахтных вод в горизонт трещинно-карстовых вод.

Рис. 6. Гидрогеологический разрез в профиле центрального квершлага шахты «Широковская» (см. рис. 1)

Переток шахтных вод в визейско-башкирский горизонт установлен еще в процессе затопления шахт по результатам гидрохимического опробования скважины 10-гн на поле шахты «Широковская» в 2001 г. В пробе воды, отобранной из этой скважины, было выявлено экстремальное загрязнение подземных вод горизонта шахтными водами. В результате рН подземных вод питьевого качества уменьшился до 2,7, в них появилось железо в количестве 6,1 г/дм3 , а сухой остаток увеличился до 25,8 г/дм3 (см. табл. 2).

Области питания трещинно-пластовых вод угленосной толщи и техногенного горизонта шахтных вод находятся выше области питания визейско-башкирского водоносного горизонта. Уровень трещинно-карстовых вод по скважине 10-гн на конец 2011 г находился на отметках 328-330 м, следовательно уровни шахтных вод и подземных вод угленосной толщи имели более высокие отметки. Уровень затопления шахг им. 40-летия ВЛКСМ и «Коспашская» находится на отметке 301-303 м, разгрузка визейско-башкирского горизонта в длинах рек П. Кизел и В.Кизел происходит на отметках 285-293 м. Таким образом, после завершения затопления шахт характер гидравлической связи между шахтными водами и водами визейско-башкирского горизонта на полях шахг «Коспашская» и «Широковская» принципиально не изменился. Здесь по-прежнему происходит разгрузка шахтных вод в горизонт трещинно-карстовых вод. В то же время к северу от источника 029, на поле шахты им. 40-летия ВЛКСМ, уровень подземных вод визейско-башкирского горизонта находится на отметке 306 м по скважине 8-гн и 318 м по скважине 7-гн.

Поэтому на этом участке уже подземные воды участвуют в питании шахтных вод, имеющих более низкие отметки.

С учетом изложенного автор предлагает следующую концептуальную модель формирования режимов подземных и шахтных вод Коспашского месторождения в условиях затопленных шахтных полей. На основной части месторождения, от источника 029 на севере, до южной границы горных работ, шахтные воды имеют более высокий уровень относительно вод визейско-башкирского горизонта. На данной территории шахтные воды разгружаются в визейско-башкирский водоносный горизонт, определяя гидродинамический и гидрохимический режимы подземных вод. На остальной части месторождения, от источника 029 до северной границы горных работ, воды рассматриваемого горизонта занимают более высокое положение относительно шахтных вод. Подземные воды не испытывают здесь какого-либо влияния со стороны шахтных вод. Воды визейско-башкирского горизонта с площади поля шахты «Широковская», являющейся для них областью питания, движутся на север, к месту своей разгрузки в виде ил-очников 029 и 031. Движение подземных вод с поля шахты «Широковская» происходит, в основном, по зоне Коспашского надвига. Об этом свидетельствует расположение в данной зоне наиболее крупного источника 029. Движение чистых вод визейско-башкирского горизонта с поля шахты им. 40-летия ВЛКСМ происходит в обратном направлении. Их разгрузка происходит через источники на правом берегу р. В. Кизел, выявленные при гидрогеологической съемке долины данного водотока.

Данная модель гидравлической связи подземных и шахтных вод позволяет сделать важный вывод о том, что визейско-башкирский водоносный горизонт, используемый для водоснабжения поселка Северный Коспашский, не подвержен в районе водозабора угрозе загрязнения со стороны шахтных вод.

4. Прогноз изменения режима подземных и шахтных вод

4.1. Обеспеченность процесса образования шахтных вод пиритом. При исследовании изливов кислых шахтных вод на поверхность возникает вопрос о продолжительности их образования после прекращения горных работ. Рассмотрим обеспеченность процесса образования кислых шахтных вод пиритом в углях, остающихся в отработанных шахтных полях в виде промышленных потерь. За весь период эксплуатации Коспашского месторождения добыто около 100 млн. т угля. Промышленные потери составили при этом 20-25 %, т. е. в отработанных шахтных полях осталось не менее 20 млн. т угля. При среднем содержании пиритной серы 6%, в оставленном угле её находится 1,2 млн. т. С этим количеством серы связано 1,05 млн. т железа. В шахтных водах, изливающихся на поверхность с 1986 г. через шурф 63 шахты «Белый Спой», среднее содержание железа последние 10 лет являлось стабильным и составляло 300 мг/да3. Общий средний дебит излива шахтных вод из шурфа 2-бис шахты «Коспашская» и источников загрязненных подземных вод составил в 2011 г. 293 м3/час. При таком дебите шахтных вод и концентрации железа 0,3 г/дм3 период образования кислых шахтных вод составит: 1050 тыс. т : 770 = 1364 г., Где 770 - годовой вынос железа в т. Фактическая продолжительность образования кислых шахтных вод зависит от большого количества факторов и в каждом конкретном случае будет индивидуальной. Поэтому, приведенный расчет не направлен на определение точной продолжительности образования кислых шахтных вод, а является лишь свидетельством длительности процесса образования этих вод. О длительном характере формирования кислых шахтных вод после прекращения

добычи угля свидетельствует продолжающееся образование таких вод в отработанном поле штольни «Запрудная». Горные работы на штольне велись в 17971825 гг. Продолжается образование кислых шахтных вод на шгольневом горизонте шахты им. Володарского, где горные работы завершены более 100 лет назад.

4.2. Прогноз изменения гидродинамического режима подземных и шахтных вод. В предыдущей главе говорилось о восстановлении, в целом, гидродинамического режима визейско-башкирского водоносного горизонта. Значительного изменения режима подземных вод под воздействием естественных факторов не ожидается. В то же время оно возможно под влиянием хозяйственной деятельности человека. Например, эксплуатация рассматриваемого водоносного горизонта на площади Гремячинского месторождения для водоснабжения г. Гремячинска повлекла большое снижение дебита источника Грифон.

Гидродинамический режим шахтных вод в чисти уровней зарегулирован отметками затопления шахт. Последний значительный излив шахтных вод на поверхность был приурочен к наклонному стволу шахты им. Ленина и возник весной 2002 г. В последующий период с 2003 по 2011 гг. общий объем излива шахтных вод в зависимости от количества осадков и условий снеготаяния изменялся от 1593 до 2650 м3/час (рис. 7). Средний объем излива шахтных вод за этот период составил 1950м3/час или 17% от среднего притока шахтных вод. откачивавшихся из шахт бассейна в 1990 г. Значительное изменение гидродинамического режима шахтных вод в ближайшие 10-15 лет, как и в случае с визейско-бащкирским горизонтом, возможно лишь при вмешательстве человека. Объем шахтных вод может увеличиться на 200250 м3/час при искусственном разделении потоков подземных и шахтных вод на

Коспашском месторождении.

4.3. Прогноз изменения гидрохимического режима

подземных и шахтных вод.

Гидрохимический режим вод визейско-башкирского горизонта, при отсутствии их загрязнения, является стабильным, поэтому в данном разделе рассматриваются лишь подземные воды,

загрязнзнные шахтными водами.

Рис. 7. Объем излива шахтных вод на _ „

Основываясь на имеющихся

поверхность

материалах гидрогеологических наблюдений, можно говорить об индивидуальном характере гидрохимического режима шахтных вод, изливающихся на поверхность на разных шахтных полях. То же самое можно сказать о подземных водах источников, гидрохимический режим которых оказался нарушенным шахтными водами. На рисунках 8 и 9 отображено изменение концентрации Ре в зависимости от времени функционирования излива шахтных вод и источников подземных вод, загрязненных шахтными водами. Выбор Ре обусловлен тем, что

Годы

Рис. 8. Диаграммы изменения концентрации железа в шахтных водах, изливающихся из затопленных шахт

Рис. 9. Диаграммы изменения концентрации железа в шахтных (ш-ф 2-бис) и подземных водах, загрязненных шахтными водами

его концентрация в кислых водах определяет содержание сульфатов и минерализацию этих вод. Данный элемент является наиболее характерным для кислых шахтных вод и оказывает наибольшее негативное влияние на гидросферу, т. к. его концентрация в шахтных водах и рассматриваемых подземных водах зачастую превышает ПДК для питьевых вод и водных объектов рыбохозяйственного значения в сотни и тысячи раз. Снижение концентрации Fe в шахтных водах достаточно достоверно описывается следующим уравнением логарифмической регрессии:

у = cln(x) + Ь,

где у - концентрация загрязняющего вещества, х - продолжительность излива шахтных вод, b и с - константы.

Гидрохимические исследования шахтных вод Коспашского месторождения велись по шурфу 2-бис, подземных вод, загрязненных шахтными водами, - по основным источникам этих вод 028 и 029. На основании полученных данных можно говорить о тенденции снижения содержания железа в шахтных водах и подземных водах источника 029 и отсутствия таковой у подземных вод источника 028 (см. рис. 9). Во всех трех случаях имеющихся данных недостаточно для составления достоверного прогноза, в связи с чем необходимо продолжение исследований.

Наиболее представительные материалы исследований гидрохимического режима шахтных вод, изливающихся на поверхность, имеются в Кизеловском угольном бассейне по шурфу 63 шахты «Белый Спой». Их большая ценность заключается в том, что они охватывают период с 1986 г., когда начался излив на поверхность шахтных вод из указанной выработки, до настоящего времени. Величина сухого остатка шахтных вод за первые три года уменьшилась с 20,4 до 6 г/дм , в следующие 11 лет до 1,5 г/дм.3 Содержание железа за 15 лет от начала излива шахтных вод снизилось с 3,5 до 0,3 г/дм3 (рис. 10). В последующем наступила относительная стабилизация концентрации железа, сульфатов и величины сухого остатка. Изменение перечисленных показателей химического состава во времени, до наступления их стабилизации, как и снижение содержания железа на рисунке 8, хорошо описывается приведенным выше уравнением логарифмической регрессии. Следовательно метод логарифмической регрессии может быть использован для прогноза изменения химического состава шахтных вод до установления его относительной стабилизации. Продолжительность периода снижения основных

компонентов химического состава шахтных вод, согласно диаграмм на рисунках 8 10, составляет 12-25 лет.

21000 20000 19000 18000 17000 ^ 16000 Г 15000 Г 14000 Г 13000 | 12000 Г 11000 I юооо

[ 9000

I 8000

| 7000 [ С ООО \ 5000 4000 3000 2000 1000

Рис 10. Диаграммы изменения содержания сухого остатка, сульфатов и железа шахтных водах, изливающихся из шурфа 63 ш. «Белый Спой»

5. Концепция оптимизации режимов подземных и шахтных вод на территории Кос паше кого месторождения

Концепция оптимизации режимов подземных и шахтных основана на изменении режимов этих вод на Коспашском месторождении в определенных пределах. Концепция предусматривает понижение уровня затопления всех трех основных шахт месторождения. Уровень шахтных вод на отработанном поле шахты «Широковская» понижается с существующей отметки 333-335 м ориентировочно до 313 м. Необходимое понижение может быть достигнуто с помощью водоперепускных скважин или горных выработок, пройденных в целике между шахтами «Широковская» и «Коспашская». Этот же результат может быть получен путем понижения уровня шахтных вод с помощью водопонижакмцих скважин, которые бурятся на затопленное отработанное поле шахты «Широковская». Шахтные воды из этих скважин перекачиваются погружными насосами в водоспускные скважины на поле шахты «Коспашская». Уровень затопления шахт им. 40-летия ВЛКСМ и «Коспашская» понижается с 301-303 м до 290 м с помощью централизованного выпу ска ш ахтн ых вод. Данн ый выпу ск со зд ается путем бурения вод о выпу скн ых скважин на отработанное поле лавы 175 шахты «Коспашская». Вследствие заданного понижения уровня, шахтные воды прекращают разгружаться в визейско-башкирский водоносный горизонт на Коспашском месторождении.

В результате реализации концепции достигается разъединение потоков подземных и шахтных вод и прекращается негативное воздействие последних на режим подземных вод. Через источники 029 и 031 начнут разгружаться на поверхность чистые воды визейско-башкирского горизонта, источники 028 и 035 исчезнут. Централизованный выпуск шахтных вод позволит изливаться на поверхность в одном месте всем шахтным водам Коспашского месторождения. В случае переброски шахтных вод с шахты «Белый Спой» в отработанное поле шахты «Коспашская», в соответствии с предложением «ВНИИОСуголь», через

централизованный выпуск станут изливаться также шахтные воды с Белоспойского месторождения. Прогнозный объем шахтных вод, подлежащих очистке, включая воды с ш. «Б. Спой», составляет в настоящее время 315 м3/час, что на порядок меньше, чем во время работы шахт. Устройство централизованного выпуска шахтных вод в процессе оптимизации режимов подземных и шахтных вод создаст благоприятные предпосылки строительства единого комплекса очистных сооружений шахтных вод.

Заключение

Выполненные в диссертационной работе исследования позволяют сделать следующие выводы:

1. В процессе эксплуатации Кгоеловского угольного бассейна уровни вод визейско-башкирского горизонта были понижены на сотни метров, а угленосной толщи - до нижних горизонтов ведения горных работ. После прекращения добычи угля и затопления отработанных шахтных полей гидродинамический режим визейско-башкирского водоносного горизонта, в целом, восстановился. Гидродинамический режим водоносного комплекса угленосной толщи претерпел значительные изменения. В составе водоносного комплекса образовался техногенный горизонт шахтных вод, который стал оказывать определяющее влияние на режим данного водоносного комплекса.

2. Работа шахт не повлияла на гидрохимический режим подземных вод Образование техногенного горизонта шахтных вод, после закрытия шахт, кардинально изменило гидрохимический режим водоносного комплекса угленосной толщи. На большинстве шахтных полей техногенный горизонт не оказывает влияния на визейско-башкирский водоносный горизонт. В то же время на отдельных шахтных полях происходит переток в этот горизонт шахтных вод, сопровождающийся экстремальным загрязнением подземных вод. Особенно большим является негативное воздействие шахтных вод на визейско-башкирский горизонт на Коспашском

месторождении угля.

3. Анализ особенностей гидродинамического и гидрохимического режимов подземных и шахтных вод и характера их гидравлической связи с учетом геолого-гидрогеологических, геоморфологических и горнотехнических условий Коспашского месторождения угля позволил предложить концептуальную модель формирования режимов этих вод на территории указанного месторождения. В соответствии с данной моделью определены границы загрязнения визейско-башкирского водоносного горизонта и дается положительный прогноз эксплуатации этого горизонта водозабором поселка Северны йКоспашский.

4. Процесс образования кислых шахтных вод в условиях затопленных шахтных полей будет носить длительный характер. По выполненному в работе расчету оставшегося в отработанном пространстве пирита достаточно для поддержания процесса образования кислых шахтных вод в течение столетий. Об этом же свидетельствует продолжающееся образование в течение более 100 лет кислых шахтных вод в отработанном поле штольни «Запрудная» и штольневом горизонте шахты им. Володарского. Первые 12-25 лет после начала излива шахтных вод на поверхность происходит снижение содержания минеральной составляющей этих вод. В последующем происходит относительная стабилизация химического состава шахтных вод. Прогноз изменения химического состава шахтных вод в период

снижения их минерализации может быть выполнен с помощью уравнения логарифмической регрессии.

5. Концептуальная модель формирования режимов подземных и шахтных вод допускает в определенных пределах изменять эти режимы. Автором предложена концепция оптимизации режимов рассматриваемых вод, направленная на достижение прекращения загрязнения визейско-башкирского водоносного горизонта и создание централизованного излива шахтных вод на Коспашском месторождении. Реализация положений концепции значительно улучшит состояние подземной гидросферы и геоэкологии в целом на территории месторождения, а также создаст предпосылки для строительства единых очистных сооружений шахтных вод.

Список публикаций автора

Статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах, определенных перечнем Высшей аттестационной комиссии:

1. Имайкин А.К., Блинов С.М. Гидродинамический режим шахтных вод Кизеловского угольного бассейна // Естественные и технические науки. Москва, 2012. С. 224 - 229.

2. Имайкин А.К. Гидрогеоэкологические последствия подземной добычи угля на Коспашском месторождении каменного угля // Современные проблемы науки и образования. - 2012. - № 2; URL: http://www.science-education.ru/102-6075 (дата обращения: 24.04.2012).

Статьи, опубликованные в материалах конференций:

3. Имайкин А. К. Анализ изменения экологической ситуации в Кизеловском угольном бассейне после ликвидации и затопления шахт // Экология России и сопредельных территорий / Новосибирск, 2004. С. 111.

4. Имайкин К.К., Имайкин А.К. Эколого-гидрогеологические последствия ликвидации шахты им 40-летия Октября и мероприятия по исключению загрязнения р. Усьвы шахтными водами // Геология и полезные ископаемые Западного Урала: Материалы регион, науч.-практ. конф. / Перм. ун-т. Пермь, 2005. С. 320-321.

5. Блинов С.М., Романов С.И., Чудакова A.A., Имайкин А.К., Батурин E.H. Режим самоизлива шахтных вод поля «Белый Спой» Кизеловского угольного бассейна // Геология и полезные ископаемые Западного Урала: Материалы регион, науч,-пракг. конф. / Перм. ун-т. Пермь, 2005. С. 321 -324.

6. Имайкин А.К. Мероприятия по исключению загрязнения р. Усьвы шахтными водами ликвидированной шахты им. 40-летия Октября // Экология: проблемы и пути решения / Пермь, 2005. С. 90.

7. Имайкин А.К. Технологическая схема снижения воздействия последствий угледобычи в Кизеловском бассейне на подземные и поверхностные воды// Материалы Всероссийского смотра-конкурса научно-технического творчества студентов высших учебных заведений «Эврика-2005» / Новочеркасск, 2005. С. 37 - 42.

8. Доможирова С.А., Батурин E.H., Имайкин А.К. Новый метод решения проблемы рекультивации участков прежнего сброса кислых шахтных вод Кизеловского угольного бассейна // Материалы Всероссийского смотра-конкурса научно-технического творчества студентов высших учебных заведений «Эврика-2005» / Новочеркасск, 2005. С. 24-28.

9. Имайкин A.K. Предложения по исключению загрязнения р. Усьвы кислыми водами бывшей шахты им 40-летия Октября и уменьшению загрязнения подземных вод в районе данной шахты // Материалы Всероссийской конференции аспирантов и студентов по приоритетному направлению «Рациональное Природопользование» /

Ярославль, 2006. С. 77 - 82.

10. Доможирова С.А., Батурин Е.Н, Имайкин А.К. Разработка технологии улучшения экологической ситуации на участках сброса кислых вод Кизеловского угольного бассейна // Материалы Всероссийской конференции аспирантов и студентов по приоритетному направлению «Рациональное Природопользование» / Ярославль, 2006. С. 255 - 260.

11. Имайкин А.К. Эколого-гидрогеологические проблемы ликвидации угольных шахт и пути их решения (на примере шахты им. 40-летия Октября Кизеловского угольного бассейна) // Сборник тезисов XII Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2006» / Москва, 2006. С. 43 - 44.

12. Имайкин А.К. Изменения геоэкологических условий района шахты «Шумихинская» в Кизеловском угольном бассейне // Труды международной научной конференции «Инновационный потенциал естественных наук» / Пермь,

2006. С. 120 - 122.

13. Доможирова С.А., Батурин E.H., Имайкин А.К, Блинов С.М. Эффективное использование промышленных отходов для охраны окружающей среды // Труды международной научной конференции Инновационный потенциал естественных наук / Пермь, 2006.С.218-221.

14. Имайкин А.К. Негативные геоэкологические последствия подземной добычи угля // Сборник тезисов докладов по материалам XIV Межд. конф. студ., аспир. и молодых ученых «Ломоносов-2007»: Секция Геология / М.: Геологический ф-т,

2007. С. 78 - 79.

15. Имайкин А.К. Геоэкологические последствия добычи угля шахтой «Шумихинская» в Кизеловском угольном бассейне // Научные чтения памяти П.Н. Чирвинского / Пермь, 2008. С.326 - 327.

16. Имайкин А.К. Негативные геоэкологические последствия подземной добычи угля шахтой «Шумихинская» в Кизеловском угольном бассейне и рекомендации по снижению их воздействия на окружающую природную среду // Сергеевские чтения. Международный год планеты Земля: задачи геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии. Вып. 10. Материалы годичной сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии. Москва, ГЕОС, 2008. С. 213-215.

17. Имайкин А.К. Геоэкологические последствия разработки Коспашского месторождения угля // XIV международный научный симпозиум имени академика М.А. Усова студентов и молодых ученых «Проблемы геологии и освоения недр». Томск, 2010. С. 369-371.

Подписано в печать 13.09.2012 г. Формат 60x84/16 Усл. печ. л''."5<ЗТираж 100 экз. Заказ 614990, г. Пермь, ул. Букирева, 15 Типография Пермского государственного национального исследовательского университете

Содержание диссертации, кандидата геолого-минералогических наук, Имайкин, Александр Камильевич

Оглавление.

Список сокращений используемых в работе.

Общая характеристика работы.

Глава 1. Характеристика района исследований.

1.1. Общие сведения.

1.2. Геологические условия.

1.3. Гидрогеологические условия.

1.4. Горные работы.

1.5. Шахтные воды в период эксплуатации бассейна.

1.5.1. Формирование шахтных вод.

1.5.2. Проблема очистки шахтных вод.

Глава 2. Исследования поверхностных, подземных и шахтных вод.

2.1. Исследования поверхностных вод.

2.2. Подземная гидрогеологическая съёмка.

2.3. Гидрогеологическая съёмка долины р. П.Кизел.

2.4. Мониторинг подземных вод.

2.5. Мониторинг шахтных вод.

2.6. Лабораторные работы.

Глава 3. Оценка гидрогеологических условий Кизеловского угольного бассейна после прекращения его эксплуатации. Концептуальная модель формирования режимов подземных и шахтных вод в условиях затопленных шахт Коспашского месторождения.

3.1. Гидродинамический режим визейско-башкирского водоносного горизонта.

3.2. Гидродинамический режим водоносного комплекса угленосной толщи и техногенного горизонта шахтных вод.

3.3. Химический состав подземных и шахтных вод на отработанных и затопленных шахтных полях.

3.3.1. Химический состав подземных вод.

3.3.2. Химический состав шахтных вод.

3.4. Концептуальная модель формирования режимов подземных и шахтных вод Коспашского месторождения в условиях затопленных шахт.

Глава 4. Прогноз изменения режима подземных и шахтных вод.

4.1. Обеспеченность процесса образования шахтных вод пиритом.

4.2. Прогноз изменения гидродинамического режима подземных и шахтных вод.

4.2.1. Прогноз изменения гидродинамического режима подземных вод.

4.2.2. Прогноз изменения гидродинамического режима шахтных вод.

4.3. Прогноз изменения гидрохимического режима подземных и шахтных вод.

4.3.1. Прогноз изменения гидрохимического режима подземных вод.

4.3.2. Прогноз изменения гидрохимического режима шахтных вод.

Глава 5. Концепция оптимизации режимов подземных и шахтных вод на территории Коспашского месторождения угля.

5.1. Необходимость оптимизации режимов подземных и шахтных вод.

5.2. Оптимизация режимов подземных и шахтных вод на поле ш. «Широковская».

5.3. Оптимизация режимов подземных и шахтных вод на поле ш. «Коспашская». Создание централизованного выпуска шахтных вод Коспашского месторождения.

5.4. Переброска шахтных вод ш. «Белый Спой» на ш. «Коспашская».

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Оценка и прогноз гидрогеологических условий территории Кизеловского угольного бассейна после закрытия шахт"

Актуальность работы

В соответствии с программой реструктуризации угольной отрасли РФ в период с 1993 по 2000 г. были ликвидированы все угледобывающие предприятия Кизеловского угольного бассейна вследствие большой себестоимости угля и высокого уровня травматизма. Закрытие шахт повлекло их затопление шахтными водами, которые ранее откачивались на поверхность водоотливными установками. Шахтные воды - это воды, образовавшиеся из подземных, поверхностных и технологических вод, поступивших в подземные горные выработки шахт и испытавших изменение состава и свойств за время пребывания в шахте. В результате в отработанных шахтных полях образовались техногенные водоносные горизонты, содержащие десятки миллионов кубометров кислых шахтных вод. Как и во время функционирования угледобывающих предприятий, шахтные воды отличаются высоким содержанием железа, алюминия и ряда микрокомпонентов. Разгрузка шахтных вод на поверхность сопровождается экстремальным загрязнением рек и донных отложений. Данный процесс достаточно хорошо изучен, а результаты исследований отражены в публикациях А.П. Красавина, A.A. Харионовского, Р.Т. Сафина, Б.А. Бачурина, С.М. Блинова, Н.Г. Максимовича, Е.А. Меньшиковой, С.С. Потапова и др.

Ключевская», «Шумихинская». Перетоки шахтных вод в водоносные горизонты вызывают экстремальное загрязнение подземных вод и исключают их из хозяйственного использования. Последующая разгрузка этих вод на поверхность влечет загрязнение рек, деградацию почв, растительности и животного мира. Наибольшее негативное воздействие на режим подземных вод оказывают шахтные воды на территории Коспашского месторождения. Воды визейско-башкирского горизонта, экстремально загрязненные на поле ш. «Широковская», движутся на север, где на поле ш. им. 40-летия ВЛКСМ этот горизонт является единственным источником водоснабжения пос. Северный Коспашский. В этих условиях весьма актуальным является изучение формирования режимов подземных и шахтных вод на затопленных шахтных полях, прогноз их изменения во времени и оценка возможности изменения режимов подземных и шахтных вод в целях предотвращения загрязнения подземных вод.

Предмет исследований - изменение гидродинамического и гидрохимического режимов подземных и шахтных вод Коспашского месторождения угля. Цель работы: оценка и прогноз гидрогеологических условий основных месторождений Кизеловского угольного бассейна, особенно территории Коспашского месторождения угля;

Основные задачи исследований

• Проанализировать и обобщить литературные и фондовые материалы по гидрогеологии Кизеловского угольного бассейна.

• Рассмотреть факторы, определяющие гидродинамический и гидрохимический режимы подземных и шахтных вод основных месторождений Кизеловского бассейна, включая Коспашское, после ликвидации шахт.

• Обосновать целесообразность и возможность понижения уровня затопления коспашских шахт для прекращения негативного воздействия шахтных вод на гидрохимический режим визейско-башкирского горизонта.

Фактический материал

Работа выполнена на основании данных полевых работ по изучению в 1973-2011 гг. режима подземных и шахтных вод на территории Кизеловского угольного бассейна, включая Коспашское месторождение, и сопутствующих лабораторных работ. Для периода отработки месторождения использовались материалы систематических наблюдений, проводившихся гидрогруппой Кизеловской ГРП в 1973-1990 гг. После закрытия шахт использовались данные мониторинга подземных вод, выполнявшегося в 2000-2002 гг. институтом ФГУП МНИИЭКО ТЭК, и гидрогеологических наблюдений, проведенных в составе геоэкологического мониторинга в 2001-2011 гг. Уральским центром социально-экологического мониторинга углепромышленных территорий (УЦСЭМ УТ). Кроме этого использовались геолого-маркшейдерская документация шахт и геологические отчёты по разведке шахтных полей Коспашского месторождения.

За период исследований выполнено более тысячи замеров уровней подземных вод и расходов подземных и шахтных вод. Отобрано свыше тысячи проб поверхностных, подземных и шахтных вод и проведено исследование их химического состава. Автор принимал непосредственное участие в полевых работах института и центра мониторинга по изучению режима подземных и шахтных вод в Кизеловском бассейне по источникам, изливам шахтных вод и скважинам. В 2010 г. с сотрудниками УЦСЭМ УТ проводил гидрогеологическую съемку по долинам рек П. Кизел и В. Кизел.

Научная новизна

Выполнен прогноз возможной длительности образования кислых шахтных вод по содержанию пиритного железа в угле.

Предложен метод прогноза изменения химического состава шахтных вод, изливающихся на поверхность, в первые 15-20 лет их излива.

Разработана концепция оптимизации гидродинамического и гидрохимического режимов подземных и шахтных вод.

Практическая ценность работы

Дана оценка и прогноз гидрогеологических условий территории Кизеловского угольного бассейна после закрытия шахт.

Определена граница загрязнения визейско-баширского водоносного горизонта шахтными водами на территории Коспашского месторождения.

Разработана концепция оптимизации гидродинамического и гидрохимического режимов подземных и шахтных вод Коспашского месторождения для прекращения загрязнения визейско-башкирского горизонта.

Основные защищаемые положения

2. Прогноз изменения режимов подземных и шахтных вод.

Апробация работы

Личный вклад автора

Публикация результатов исследований

Объем и структура

Диссертация объемом 147 страниц машинописного текста состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы, включающего 103 источника. В ней содержится 29 рисунков и 11 таблиц.

Заключение Диссертация по теме "Гидрогеология", Имайкин, Александр Камильевич

Основные результаты гидрогеологических исследований за 19811990 гг. изложены в отчётах К. К. Имайкина (1986, 1991). Автором этих отчётов, а также авторами отчётов по результатам геологоразведочных работ по полям коспашских шахт (Евсеенко и др., 1977, Синяев и др., 1979, Синяев, 1987) отмечалось большое понижение уровня трещинно-карстовых вод и изменение направления их движения от естественных дрен к горным выработкам шахт.

Мониторинг подземных вод возобновился уже после закрытия шахт. В 2000-2002 гг. мониторинг подземных вод в Кизеловском угольном бассейне, включая территорию Коспашского месторождения, проводил институт МНИИЭКО ТЭК. В рамках мониторинга сотрудниками института ежеквартально замерялись уровни и отбирались пробы воды по наблюдательным скважинам. Кроме этого с частотой два раза в год велись наблюдения за дебитами и гидрохимическим режимом источников подземных вод. Со второй половины 2001 г. и по настоящее время мониторинг подземных вод осуществляет УЦСЭМ УТ. Методика проведения исследований, в основном, сохранилась, но частота замеров уровней подземных вод возросла до одного раза в месяц.

В 2007-2008 гг. специалистами УЦСЭМ УТ в долинах рек П. Кизел и В. Кизел выявлены три группы источников подземных вод, характеризующихся экстремальным загрязнением шахтными водами. Первоначально в сеть мониторинга подземных вод были включены два наиболее представительных источника. С учётом результатов указанной выше гидрогеологической съёмки количество наблюдаемых источников с 2011 г. увеличено до 5, а частота наблюдений повышена до 4 раз в год.

2.5. Мониторинг шахтных вод

Мониторинг шахтных вод, как и мониторинг подземных вод, был начат МНИИЭКО ТЭК и продолжен УЦСЭМ УТ. С 2003 г. исследование режима шахтных вод ведется по 12 изливам этих вод из затопленных горных выработок шахт ГКА, Коспашского, Косьвинского, Гремячинского месторождений и двум изливам со штолен шахт им. Володарского и им. 40-летия ВЛКСМ. С указанных штолен на поверхность выходят шахтные воды, которые формируются на штольневых горизонтах и не связаны с затопленными выработками. Мониторинг включает ежеквартальные замеры объемов шахтных вод и отборы проб этих вод на химанализы.

Ожидавшийся излив шахтных вод из затопленных выработок шахт Коспашского месторождения через шурф 2-бис ш. «Коспашская» и шурф 58 ш. 42 практически не происходит. Кратковременный излив шахтных вод из шурфа 58 имел место единственный раз весной 2007 г. Эпизодические изливы шахтных вод из шурфа 2-бис происходят лишь во время пика весенних паводков. На отмеченные моменты изливов и приходятся определения расходов шахтных вод и отборы проб последних на химанализы. Конечно, разгрузка техногенных горизонтов шахтных вод идёт постоянно в течении всего года, но не на поверхность, а в визейско-башкирский водоносный горизонт и водоносный комплекс угленосной толщи. Последующая разгрузка на поверхность подземных вод, загрязненных шахтными водами, происходит в виде многочисленных источников в долинах рек П. Кизел и В. Кизел, о которых говрилось выше.

2.6. Лабораторные работы

Во время стационарных гидрогеологических наблюдений за режимом подземных, поверхностных и шахтных вод, осуществлявшихся гидроотрядом Кизеловской ГРП, отобранные пробы перечисленных вод анализировались химлабораторией геологоразведочной партии. Лабораторные работы включали определение рН, сухого остатка, основных анионов и катионов, железа и алюминия.

Лабораторией химико-аналитических исследований ФГУП МНИИЭКО ТЭК и эколого-аналитической лабораторией ООО УЦСЭМ УТ в пробах воды, кроме указанных выше показателей, определялись микроэлементы: Мп, №, Со, 1л, Ве, РЬ, Щ, С& Значения рН определялись потенциометрическим методом, массовая концентрация сухого остатка и сульфатов — весовым, хлоридов - меркуриметрическим, содержание гидрокарбонатов - титриметрическим методами. Массовая концентрация металлов определялась методом атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой.

В главе дается краткая оценка гидрогеологических условий на основных месторождениях Кизеловского бассейна после затопления отработанных шахтных полей. Ранее, в разделе 1.3, было показано, что негативное воздействие горных работ в Кизеловском бассейне сказывается, преимущественно, на режимах подземных вод визейско-башкирского горизонта и комплекса угленосной толщи.

При затоплении шахт в отработанных шахтных полях сформировался техногенный горизонт шахтных вод, ставший основным в водоносном комплексе угленосной толщи. Как и во время работы угледобывающих предприятий, шахтные воды оказывают большое негативное воздействие на геоэкологическое состояние территории угольного бассейна, а их влияние на подземные воды лишь усилилось. С учетом сказанного, далее в работе основное внимание уделяется режимам подземных вод визейско-башкирского горизонта и горизонта шахтных вод.

В данной главе наиболее углубленно рассматривается формирование режимов подземных и шахтных вод на Коспашском месторождении. Предлагается и обосновывается указанная выше концептуальная модель.

3.1. Гидродинамический режим визейско-башкирского водоносного горизонта.

Прекращение работы шахтных водоотливов и затопление отработанных шахтных полей повлекли постепенное восстановление гидродинамического режима визейско-башкирского водоносного горизонта, нарушенного длительным дренирующим влиянием подземных горных работ. На первом этапе затопления шахт сохранялось дренирование визейско-башкирского горизонта горными выработками. Трещинно-карстовые воды, поступившие в горные выработки, трансформировались в шахтные воды, которые шли на заполнение выработанного пространства, находящегося ниже зеркала этих вод, поэтому уровень последних не повышался. Лишь после выравнивания отметки затопления горных выработок и уровня подземных вод начиналось восстановление гидродинамического режима рассматриваемого горизонта. С этого момента процессы затопления горных выработок и восстановления уровня подземных вод шли параллельно.

На шахтных полях ГКА и Косьвинского месторождения, к северу от р. Косьвы, где имели место максимальные понижения зеркала трещинно-карстовых вод, восстановление уровня последних шло с некоторым опережением отметки затопления шахт. Данное соотношение уровней подземных и шахтных вод связано с весьма значительными естественными ресурсами визейско-башкирского горизонта, обусловленными хорошими условиями его питания на площади рассматриваемых месторождений. В то же время естественные ресурсы трещинно-пластовых вод угленосной толщи на территории месторождений были небольшими, поэтому восстановление уровня этих вод и подъем гидравлически тесно связанных с ними шахтных вод отставали от восстановления уровня трещинно-карстовых вод. Понижение уровня подземных вод визейско-башкирского горизонта на Гремячинском месторождении было сравнительно незначительным. Основное воздействие горных работ на режим водоносного горизонта выражалось здесь в прекращении функционирования крупного источника «Грифон», через который в естественных условиях происходила разгрузка трещинно-карстовых вод с площади Гремячинского месторождения.

К настоящему времени уровни подземных вод визейско-башкирского горизонта на шахтных полях практически заняли свое естественное положение (см. табл. 1). Движение подземных вод переориентировалось с горных выработок на естественные дрены. Возобновилось функционирование крупных источников, приуроченных к этому горизонту по долинам рек: П. Кизела на Коспашском месторождении, Б. Кизела и Косьвы на ГКА, Губашки на Косьвинском месторождении и Гремячей на Гремячинском месторождении (рис. 6, 7). Таким образом, можно говорить о восстановлении гидродинамического режима визейско-башкирского водоносного горизонта на шахтных полях Кизеловского угольного бассейна. Нарушение гидродинамического режима горизонта, как и ранее,

Рис. 6. Источники подземных вод визейско-башкирского горизонта. Источник 09. Левый берег р. Б. Кизел, поле ш. им. Ленина

Рис. 7. Источник 05. Русло р. Губашка, поле ш. им. Калинина возможно в результате хозяйственной деятельности человека. Например, вследствие отбора воды из водоносного горизонта для водоснабжения, как это имеет место на Гремячинском месторождении угля. Ниже более подробно рассматриваются условия формирования гидродинамического режима данного горизонта на Коспашском месторождении в условиях затопления расположенных здесь шахт.

Водоотливной комплекс ш. «Широковская» остановлен в 1996 г. С момента его отключения началось затопление горных выработок шахтными водами, откачивавшимися ранее на поверхность. Затопление III горизонта, гипсометрически расположенного ниже визейско-башкирского водоносного горизонта, не отразилось на гидродинамическом режиме последнего. В последующем шло одновременное заполнение шахтными водами выработанного пространства и восстановление уровней подземных вод рассматриваемого горизонта и угленосной толщи.

В разделе 1.3 говорилось о затруднённых условиях питания визейско-башкирского водоносного горизонта на Коспашском месторождении, особенно на поле ш. «Широковская». Здесь же отмечались благоприятные условия питания подземных вод угленосной толщи. В этих условиях, в отличие от других месторождений бассейна, уровень трещинно-карстовых вод визейско-башкирского горизонта повышался с отставанием от уровня трещинно-пластовых вод угленосной толщи. Уровень шахтных вод в затапливаемых выработках соответствовал уровню подземных вод в подработанной части угленосной толщи и находился выше зеркала трещинно-карстовых вод.

На поле ш. «Широковская» шахтные воды хорошо гидравлически связаны с водами визейско-башкирского горизонта. Каналами этой связи выступают техногенные и естественные водопроводящие трещины, подземные гидрогеологические скважины, центральный квершлаг II горизонта шахты, по которым во время работы шахты трещинно-карстовые воды поступали в горные выработки. Обладая более высоким уровнем, шахтные воды во время затопления шахты по этим же каналам перетекали в визейско-башкирский горизонт. Факт перетока, начиная с 2001 г., подтверждается экстремальным загрязнением данного водоносного горизонта по результатам гидрохимического опробования по наблюдательной скважине 10-гн на поле ш. «Широковская», о чем будет более подробно сказано в соответствующем разделе данной главы.

Вследствие ограниченности естественных ресурсов визейско-башкирского горизонта, затопление ш. «Широковская» и связанное с ним восстановление уровня трещинно-карстовых вод, для условий Кизеловского бассейна, происходили медленно. Основываясь на результатах наблюдений за гидродинамическим режимом горизонта по скважине 10-гн, можно говорить о полном восстановлении уровня трещинно-карстовых вод к 2012 г. (рис. 8). Следовательно, процесс восстановления уровня вод визейско-башкирского горизонта на данном шахтном поле длился 15 лет. В связи с этим следует отметить, что затопление ш. им. Ленина и связанных с ней горными выработками шахт «Северная», им. Володарского и «Комсомолец» произошло за четыре года, с 1997 г. по 2001 г. При этом нижний рабочий горизонт на ш. им. Ленина имел отметку (-) 560 м, в то время как на ш. «Широковская» - (-) 56 м. Уровень трещинно-карстовых вод визейско-башкирского горизонта на поле ш. им. Ленина был понижен до отметки (-) 140 м, а на поле ш. «Широковская» - до 40 м (Имайкин, 1991).

В результате своего восстановления уровень подземных вод визейско-башкирского горизонта достиг отметок 328-330 м. По материалам геологоразведочных работ максимальный естественный уровень подземных вод этого горизонта в районе скважины 10-гн находился на отметках 320325 м (Евсеенко и др., 1977). Таким образом, уровень трещинно-карстовых вод после затопления ш. «Широковская» установился на более высокой отметке, чем до начала разработки Коспашского угольного месторождения. Данный факт еще раз свидетельствует о хорошей гидравлической связи визейско-башкирского водоносного горизонта и ^ ^ ^ ^ ^ ^ Лх Л* А А О ^ А Лэ 0Л Л А А А ^ о, с, о, о Л Л Л N Ч л

Т Т Т Т Т Т Т Т Т Т Г V Т г^ Г ОУ Г Г ^ Г Г О^ ^ Г ^ О0 Г ^ ^ Ло л<Ог л<0 л<0 л<Ог Ло

Г сК <Г <Г ^ ^ <£> О^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ Л* <Л> «V ^ г^- ^• ^ г05' ^ ^ я? ^• ^ ^ ^ ^ ^ г^ ^ ^ ^ ^ ^ гг> ^ ^ ^ ^

Дата замера

•"Широковская" Скв. 10-гн -*-илл.40лет ВЛКСМ Скв. 8-гн им. 40лет ВЛКСМ Скв. 7-гн

Рис. 8. График восстановления уровня вод визейско-башкирского горизонта • . • . ■ . • 61 4 ' » » техногенного горизонта шахтных вод. Область питания техногенного горизонта, как и водоносного комплекса угленосной толщи в целом, находится в рельефе выше области питания визейско-башкирского горизонта, что определяет и более высокий уровень шахтных вод, находящийся, предположительно, на отметках 333-335 м. Уровень шахтных вод принят на 5 м выше уровня трещинно-карстовых вод по аналогии с соотношением уровней этих вод в апреле 2007 г. на полях остальных двух шахт, затопление которых рассматривается ниже. В результате сохраняется переток шахтных вод в горизонт трещинно-карстовых вод и после окончания затопления шахты. Данным перетоком обуславливается, по мнению автора, превышение зеркала трещинно-карстовых вод относительно ранее наблюдавшегося естественного уровня.

Затопление шахт им. 40-летия ВЛКСМ и «Коспашская», благодаря связи их отработанных полей, происходило одновременно и с одинаковой скоростью с 1998 г. по 2007 г., т. е. в течение 9 лет. Через год уровни подземных вод достигли своего максимального положения и стабилизировались на отметке 306 м по скважине 8-гн и 318 м по скважине 7-гн. Значительно меньший срок затопления горных выработок и восстановления уровня трещинно-карстовых вод на полях рассматриваемых шахт, относительно поля ш. «Широковская», обусловлено несколькими факторами:

- меньшей глубиной ведения горных работ и меньшим понижением уровня трещинно-карстовых вод;

- меньшей отметкой затопления шахт и более низкими уровнями восстановления подземных вод. На поле ш. «Широковская» отметка затопления составляет предположительно 333-335 м, на полях двух других шахт-301-303 м;

- притоком трещинно-карстовых вод с северной части КПС, расположенной за пределами отработанных шахтных полей. Поле ш. «Широковская» ограничивается на юге замыканием КПС, на севере — полем ш. «Коспашская», поэтому питание визейско-башкирского горизонта происходило лишь в границах шахтного поля.

Ко времени первичного излива шахтных вод из шурфа 2-бис ш. «Коспашская» весной 2007 г., уровень шахтных вод на поле данной шахты и ш. им 40-летия ВЛКСМ поднимался до отметки 308 м. Уровень трещинно-карстовых вод на полях рассматриваемых шахт находился в это время на отметках 302-303 м, т. е. существенно ниже. Следовательно, есть основания полагать, что во время затопления горных выработок часть шахтных вод, как и на поле ш. «Широковская», шла на питание горизонта трещинно-карстовых вод.

Восстановление уровней и естественных запасов визейско-башкирского водоносного горизонта повлекло образование ряда источников, как с чистыми, так и загрязнёнными водами. На правом берегу р. П. Кизел, в 300-350 м южней её поворота на запад, происходит разгрузка рассматриваемого горизонта через ряд восходящих источников подземных вод, объединённых в групповой источник 031 (рис. 1, 9). Подземные воды

Рис 9. Групповой источник 031. Выход вод визейско-башкирского горизонта, загрязненных шахтными водами экстремально загрязнены шахтными водами. Участок их разгрузки и последующего движения до р. П. Кизел, площадью около 1 га, покрыт гидроксидами железа. Здесь уничтожена травяная растительность, происходит гибель древесных лесных культур и деградация почв (рис. 10). Мощность четвертичных отложений на участке составляет всего 4-5 м, что нехарактерно для площадей распространения карбонатных пород визейского яруса. Выходы подземных вод соответствуют в геологическом разрезе пачке карбонатных пород, залегающей на битуминозных незакарстованных известняках средней мощностью около 30-35 м, слагающих самую нижнюю часть карбонатного разреза визейского яруса. Указанная пачка по данным, полученным при проведении многочисленных горных выработок и скважин, отличается высокой водообильностью, вследствие расположения на контакте со слабо карстующимися породами. Таким образом, сочетание таких факторов, как низкое положение участка в рельефе, высокая водообильность карбонатных пород и небольшая мощность четвертичных отложений делают выход подземных вод на данном участке вполне закономерным (рис. 11).

В процессе гидрогеологической съёмки в июле 2010 г. у источника определен дебит и отобрана проба воды (табл. 7). Ранее специальных наблюдений за источником не велось и данные по нему нигде не фиксировались. По мнению сотрудников УЦСЭМ УТ» гидрогеологов С. И. Романова и Е. В. Кузьменко источник образовался в 2008 г. и до 2010 г. имел значительно больший дебит.

На левом берегу р. В. Кизел, в 650-700 м выше её устья, находится основная зона разгрузки подземных вод визейско-башкирского горизонта, экстремально загрязнённых шахтными водами. Она приурочена к участку пересечения рекой полосы выходов карбонатных пород визейского яруса на западном крыле КПС, в границах поля ш. 42. Выходы карбонатных пород имеют по речной долине минимальные отметки в рельефе, что и определяет разгрузку здесь трещинно-карстовых вод. Площадь зоны разгрузки

Самотечный

Очистные

Рис. 10. План района разгрузки визейско-башкирского и техногенного водоносных горизонов. Рекомендуемая схема размещения проектных очистных сооружений, скважин для выпуска и понижения уровня шахтных вод, водоводов и автодорог (условные обозначения приведены на рисунке 29)

Рис.11. Геологический разрез по линии 1У-1У участка расположения группового источника 031 (условные обозначения приведены на рисунке 29)

Заключение

Выполненные в диссертационной работе исследования позволяют сделать следующие основные выводы.

1. В процессе эксплуатации Кизеловского угольного бассейна уровни вод визейско-башкирского горизонта были понижены на сотни метров, а угленосной толщи - до нижних горизонтов ведения горных работ. После прекращения добычи угля и затопления отработанных шахтных полей гидродинамический режим визейско-башкирского водоносного горизонта, в целом, восстановился. Гидродинамический режим водоносного комплекса угленосной толщи претерпел значительные изменения. В составе водоносного комплекса образовался техногенный горизонт шахтных вод, который стал оказывать определяющее влияние на режим данного водоносного комплекса.

4. Процесс образования кислых шахтных вод в условиях затопленных шахтных полей будет носить длительный характер. По выполненному в работе расчету, оставшегося в отработанном пространстве пирита достаточно для поддержания процесса образования кислых шахтных вод в течение столетий. Об этом же свидетельствует продолжающееся образование в течение более 100 лет кислых шахтных вод в отработанном поле штольни «Запрудная» и штольневом горизонте шахты им. Володарского. Первые 1225 лет после начала излива шахтных вод на поверхность происходит снижение содержания минеральной составляющей этих вод. В последующем происходит относительная стабилизация химического состава шахтных вод. Прогноз изменения химического состава шахтных вод в период уменьшения их минерализации может быть выполнен с помощью уравнения логарифмической регрессии.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Имайкин, Александр Камильевич, Пермь

1. Алексеева Н. А. Отчет «Режим поверхностных и подземных вод Кизеловского района (по данным 1928-1937 гг.)». Кизел, 1938.

2. Блинов С.М. Методологические основы применения геохимических барьеров охраны окружающей среды // Перспективы развития естественных наук в высшей школе: Труды междунар. науч. конф / Перм. ун-т; ЕНИ при Перм. ун-те. Пермь, 2001. Т.З. Экология. С.56 - 61.

3. Блинов С.М., Максимович Н.Г. Методологические основы применения геохимических барьеров для окружающей среды // География и окружающая среда. СПб, 2003. - С. 294 - 304.

4. Блинов С.М., Максимович Н.Г., Меньшикова Е.А. Современное техногенное минералообразование в аллювии рек Кизеловского угольного бассейна // Минералогия техногенеза 2003. Миасс: Геотур, 2003. - С. 20 - 38.

5. Брянский Я.Ш., Губанов В.Ф., Иванова JI.A., Кельманская З.А. Геологический отчет о результатах доразведки центральной части Коспашского месторождения в Кизеловском каменноугольном районе. Кизел, фонды Пермьнедра, 1964.

6. Геология месторождений угля и горючих сланцев СССР. Т. 4. Угольные бассейны и месторождения Урала. М., 1967. 476 с.

7. Геология СССР. Т. 12, книга 2. М.: Изд-во Недра, 1969. 304 с.

8. Гидрогеология СССР. Т. XIV. Урал. Уральская система грунтовых вод. М., 1972.

9. ГН 2.1.5. 13-15-03. «Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования». Утв. Гл. госуд. врачом РФ Г.Г. Онищенко 27.04.2003.

10. Гольдберг В.М. Взаимосвязь загрязнения подземных вод и природной среды. JL: Гидрометеоиздат, 1987. 247с.

11. Горная энциклопедия. Т. 2. М., Изд-во: Советская энциклопедия, 1985. -575 с.

12. Горная энциклопедия. Т. 3. М., Изд-во: Советская энциклопедия, 1987. -592 с.

13. Джексон. М. Финансовое моделирование в Microsoft Office Excel и VBA: углубленный курс. М., Изд-во: Вильяме, 2006. 352 с.

14. Докукин А.В., Докукина JI.C. Возникновение кислых рудничных вод и борьба с ними. М., Углетехиздат, 1950. 315 с.

15. Доможирова С.А., Батурин Е.Н, Имайкин А.К. Разработка технологии улучшения экологической ситуации на участках сброса кислых водi 4« • <

16. Кизеловского угольного бассейна // Материалы Всероссийской конференции аспирантов и студентов по приоритетному направлению «Рациональное Природопользование» / Ярославль, 2006. С. 255 - 260.

17. Доможирова С.А., Батурин E.H., Имайкин А.К, Блинов С.М. Эффективное использование промышленных отходов для охраны окружающей среды // Труды международной научной конференции Инновационный потенциал естественных наук / Пермь, 2006. С218-221.

18. Евсеенко И.Ф., Воронов Е.Г. Геологический отчет о результатах доразведки поля шахты «Широковская» Кизеловского каменноугольного бассейна (с подсчетом запасов по состоянию на 01.01.1977 г.). Кизеловская ГРП, Кизел, фонды Пермьнедра, 1977.

19. Евсеенко И.Ф, Имайкина В.Г. Отчет по доразведке VII горизонта поля шахты им. Ленина Кизеловского каменноугольного бассейна с подсчетом запасов по состоянию на 01.01.1978 г. Кизел, фонды Пермьнедра, 1978.

20. Ежов Ю.А., Сидоров И.И. Определение притоков воды и меры их снижения в шахтах Кизеловского бассейна. В сб. «Тр. инс-та геол. УФ АН СССР», вып. 69. Гидрогеологический сб. № 3, Свердловск, 1964.

21. Имайкин А.К. Анализ изменения экологической ситуации в Кизеловском угольном бассейне после ликвидации и затопления шахт // Экология России и сопредельных территорий/ Новосибирск, 2004 г. С. 111.

22. Имайкин А.К. Мероприятия по исключению загрязнения р. Усьвы шахтными водами ликвидированной шахты им. 40-летия Октября// Экология: проблемы и пути решения / Пермь, 2005. С. 90.

23. Имайкин А.К. Изменения геоэкологических условий района шахты «Шумихинская» в Кизеловском угольном бассейне // Труды международной научной конференции «Инновационный потенциал естественных наук»/ Пермь, 2006 г. С. 120 - 122.

24. Имайкин А.К. Негативные геоэкологические последствия подземной добычи угля // Сборник тезисов докладов по материалам XIV Межд. Конференции студ., аспир. и молодых ученых «Ломоносов-2007»: Секция Геология / М.: Геологический ф-т, 2007. С. 78 - 79.

25. Имайкин А.К. Геоэкологические последствия добычи угля шахтой «Шумихинская» в Кизеловском угольном бассейне // Научные чтения памяти П.Н. Чирвинского / Пермь, 2008. С. 326 - 327.

26. Имайкин А.К. Геоэкологические последствия разработки Коспашского месторождения угля // XIV международный научный симпозиум имени академика М.А. Усова студентов и молодых ученых «Проблемы геологии и освоения недр» / ТПУ, Томск, 2010.

27. Имайкин А.К., Блинов С.М. Гидродинамический режим шахтных вод Кизеловского угольного бассейна (на примере шахты им. 40-летия Октября). Естественные и технические науки. М., «Спутник+», 2012. С. 224 - 229.

28. Имайкин К.К. Отчет Кизеловской партии о результатах стационарных гидрогеологических наблюдений за режимом подземных, поверхностных и шахтных вод в Кизеловском каменноугольном бассейне за 1981-1985 гг. Кизел, фонды Пермьнедра,1986.

29. Имайкин К.К. Отчет Кизеловской партии о результатах стационарных гидрогеологических наблюдений за режимом подземных, поверхностных и шахтных вод в Кизеловском каменноугольном бассейне за 1986-1990 гг. Кизел, фонды Пермьнедра,1991. 115 с.

30. Имайкин К.К. Отчет о научно-исследовательской работе «Обоснование полигонов гидрогеологических наблюдений на угольных месторождениях Кизеловского промышленного района. МНИИЭКО ТЭК, Пермь, 1999.

31. Имайкин К.К., Баньковская В.М., Бурковская A.B. Изменение гидрогеологической обстановки при ликвидации шахт Кизеловского угольного бассейна // Гидрогеология и карстоведение. Пермь, изд-во Пермского университета, 2002, вып. 14. - С. 145 - 150.

32. Имайкин К.К., Имайкина В.Г, Казымова К.К. и др. Отчет о научно-исследовательской работе «Мониторинг подземных вод на территории Кизеловского угольного бассейна», Пермь, МНИИЭКО ТЭК, 2003. -128 с.

33. Инструкция по безопасному ведению горных работ у затопленных выработок. НТЦ «Промышленная безопасность», 2002.

34. Кельманская З.А., Мартынов Н.Г. Гидрогеологические условия шахт Кизеловского каменноугольного района. Отчет Пермского ГРТ. Пермь, фонды Пермьнедра,1967.

35. Кононенко Н.И. Карст, его влияние на обводненность горных выработок и прогноз возможных притоков подземных вод на глубокие горизонты некоторых шахт Кизеловского бассейна. Научные труды ПермНИУИ, сб. IX, Пермь, 1968. С. 48 - 159.

36. Крамаренко JI.E. Бактериальные биоценозы в подземных водах месторождений полезных ископаемых и их геологическое значение. / Микробиология, 1962. T. XXXI. Вып.4. - С. 694 - 701.

37. Красавин А.П. Защита окружающей среды в угольной промышленности. М.: Недра, 1991.-221 с.

38. Красавин А.П. Экологическая реабилитация углепромышленных территорий Кизеловского угольного бассейна в связи с закрытием шахт / А.П. Красавин, Р.Т. Сафин. Пермь: ИПК «Звезда», 2005. 287с.

39. Максимович Н.Г. Создание геохимических барьеров для очистки стоков породных отвалов // Уголь, 2006. N9. - С.64.

40. Максимович Н.Г., Басов В.Н., Холостов С.Б. Установка для нейтрализации кислых шахтных вод. Решение о выдаче патента № 2005106661/22 (008113)

41. Максимович Н.Г., Блинов С.М. Использование геохимических барьеров для защиты подземных и поверхностных вод от загрязнения / Сергеевские чтения. Вып.2: Материалы годич. сесс. Науч. совета РАН. М.: ГЕОС, 2000.-С.224-231.

42. Максимович Н.Г., Блинов С.М. Технологии реабилитации окружающей среды на основе геохимических барьеров / Контроль и реабилитация окружающей среды: 2-й междунар. симпоз: Материалы симпоз. Томск, 2000.- С. 245-246

43. Максимович Н.Г., Горбунова К. А. Геохимические изменения геологической среды при разработке угольных месторождений // Известия ВУЗ. Геология и разведка, № 5, 1991. С. 137 - 140.

44. Максимович Н.Г., Меньшикова Е.А., Блинов С.М. Техногенные минералы донных отложений р. Косьвы в зоне влияния Кизеловского угольного бассейна // Уральская летняя минералогическая школа-95: Материалы межвуз. науч. конф.- Екатеринбург, 1995.- С.94-95.

45. Максимович Н.Г., Меньшикова Е.А., Блинов С.М. Геоэкологические особенности магистральных рек Кизеловского угольного бассейна // Регион и география: Тез. докл. междунар. науч.-практ. конф.-Пермь,1995.-Ч.2.- С. 250 252.

46. Максимович Н.Г., Меньшикова Е.А., Блинов С.М. Влияние Кизеловского угольного бассейна на геохимию р. Косьвы // Современные проблемы геологии Западного Урала: Тез. докл. научн. конф.-Пермь, 1995.-С.121.

47. Максимович Н. Г., Меньшикова Е.А., Блинов С.М. Загрязнение русла р. Косьвы (бассейн р. Камы) и его экологические последствия. // Экология средних и малых городов. М., 1998. С. 15-17.

48. Максимович Н.Г., Хайрулина Е.А. Геохимические барьеры и охрана окружающей среды: учеб. пособие. Перм. гос. ун-т. Пермь, 2011. 248 с.

49. Максимович Н.Г., Черемных Н.В., Хайрулина Е.А. Экологические последствия ликвидации Кизеловского угольного бассейна // ФГНУ «Естественнонаучный институт», г. Пермь, Географический вестник. 2006. -N2.-0.128-134.

50. Металлогения и геохимия угленосных и сланцесодержащих толщ СССР. Геохимия элементов. // Клер В.Р., Волкова Г.А., Гурвич Е.М. и др. М.: Наука, 1987. 240 с.

51. Металлогения и геохимия угленосных и сланцесодержащих толщ СССР. Закономерности концентрации элементов и методы их изучения. // Клер В.Р., Ненахова В.Ф., Сапрыкин Ф.Я.И др. М.: Наука, 1988. 256 с.

52. Немковский Б.Б., Мичуров Б.И., Косарева А.Н., Яныгина В.Я. О необходимости и целесообразности очистки шахтных вод в Кизеловском угольном бассейне. Научные труды ПермНИУИ, сб. XI, Пермь, 1968. С. 168 -195.

53. Отчет по экологическому мониторингу последствий подземной добычи угля в Кизеловском угольном бассейне. УФСЭМ УТ, Кизел, 2003.

54. Отчет по экологическому мониторингу последствий подземной добычи угля в Кизеловском угольном бассейне. УФСЭМ УТ, Кизел, 2004.

55. Отчет по экологическому мониторингу последствий подземной добычи угля в Кизеловском угольном бассейне. УФСЭМ УТ, Кизел, 2005. 140 с.

56. Отчет по экологическому мониторингу последствий подземной добычи угля в Кизеловском угольном бассейне. УФСЭМ УТ, Кизел, 2006. 155 с.

57. Отчет по экологическому мониторингу последствий подземной добычи угля в Кизеловском угольном бассейне. УФСЭМ УТ, Кизел, 2007. 149 с.

58. Отчет по экологическому мониторингу последствий подземной добычи угля в Кизеловском угольном бассейне. УФСЭМ УТ, Кизел, 2008. 147 с.

59. Отчет по экологическому мониторингу последствий подземной добычи угля в Кизеловском угольном бассейне. УФСЭМ УТ, Кизел, 2009. 148 с.

60. Отчет по экологическому мониторингу последствий подземной добычи угля в Кизеловском угольном бассейне. УФСЭМ УТ, Кизел, 2010.

61. Отчет по экологическому мониторингу последствий подземной добычи угля в Кизеловском угольном бассейне. УФСЭМ УТ, Кизел, 2011. 96 с.

62. Панарина Г.Н., Литвин В.А., Прощенкова В.М. Мероприятия по снижению притоков и загрязненности шахтных вод по шахтам Коспашского месторождения. Отчет НИИОСуголь, Пермь, 1977. 186 с.

63. ПБ 07-269-98. Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях. Госгортехнадзор Росси. 211 с.

64. ПБ 05-618-03. Правила безопасности в угольных шахтах. 2004.

65. Перельман А.И. Геохимия биосферы. М.: Наука, 1973. 168 с.

66. Перельман А.И. Геохимия. М.: Высшая школа, 1989. 528 с.

67. Печеркин И.А. Шахтные воды Кизеловского каменноугольного бассейна. В сб. «Тр. горно-геол. ин-та УФ АН СССР», вып. 48., Гидрогеологический сб. № 1, Свердловск, 1960.

68. Плотников Н.И., Сыроватко М.В., Щеголев Д.И. Подземные воды рудных месторождений. М., Металлургиздат, 1957.

69. Потапов С.С., Блинов С.М. Геоэкологическая ситуация в Кизеловском угольном бассейне на основе изучения техногенных минерализаций // Уральский минералогический сборник. Миасс: Имин. УрО РАН, 2002. № 12. -С. 204-219.

70. Ресурсы поверхностных вод СССР. Средний Урал и Приуралье. Т. 11. Отв. Редактор Н. М. Амошинская. Приложение Гидрометеоиздат, Л., 1972. -391 с.« i • «

71. Сафин P.T. Экологические проблемы реструктуризации Кизеловскогоугольного бассейна // Экологические проблемы и здоровье населения Верхнекамья: матер: науч.-практ. конф. Пермь, 2002. С. 42 - 52.

72. Синонян P.P. Маркшейдерское дело. М., изд-во: Недра, 1982. 303 с.

73. Синяев А.И, Евсеенко И.Ф., Имайкина В.Г. Отчет о результатах доразведки, проведенной в 1973-1978 гг. на поле шахты им. 40-летия ВЛКСМ Кизеловского каменноугольного бассейна. Кизеловская ГРП. Кизел, фонды Пермьнедра, 1979.

74. Смирнов С.С. Зона окисления сульфидных месторождений. М.: Из-во АН СССР, 1951.

75. Состояние и охрана окружающей среды Пермской области в 2001 году. Государственный доклад. Пермь, 2002. 190 с.

76. Справочное руководство гидрогеолога под редакцией Максимова. Л., изд-во: Недра, 1987. 586 с.

77. Уокенбах. Д. Excel 2003: Библия пользователя. М., изд-во: Вильяме, 2004. 768 с.

78. Уокенбах. Д. Подробное руководство по созданию формул в Excel 2003. М., изд-во: Вильяме, 2004. 640 с.

79. Чухров Ф.В., Ляликова Н.Н., Горшков А.И. О роли микроорганизмов в образовании ярозитов // Докл. АН СССР, 1978. Т. 241. № 4. - С. 929-932.

80. Maximovich N.G., Gorbunova K.A. Geochemical aspects of the geological medium changes in coal fields//Proceeding 6 Int.CongressInt.Ass. of Engineering Geology. A.A.Balkema, Rotterdam. 1990. P. 1457-1461

81. Maximovich N.G., Blinov S.M. The use of geochemical methods for neutralization of surroundings agressive to underground structures/ZProceeding 7 Int. CongressAss. ofEngineeringGeology. Portugal,v.5. Lisboa. 1994. P.3159-3164

Информация о работе

Имайкин, Александр Камильевич
кандидата геолого-минералогических наук
Пермь, 2012
ВАК 25.00.07

Диссертация

Оценка и прогноз гидрогеологических условий территории Кизеловского угольного бассейна после закрытия шахт - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы