Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Развитие комплексного инженерно-геологического и микробиологического мониторинга на Яковлевском руднике для повышения безопасности ведения очистных работ под неосушенными водоносными горизонтами

ВАК РФ 25.00.08, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Развитие комплексного инженерно-геологического и микробиологического мониторинга на Яковлевском руднике для повышения безопасности ведения очистных работ под неосушенными водоносными горизонтами"

9 15-4/1

На правах рукописи

АЛЕКСЕЕВ ИВАН ВИКТОРОВИЧ

РАЗВИТИЕ КОМПЛЕКСНОГО ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКОГО И МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА НА ЯКОВЛЕВСКОМ РУДНИКЕ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ВЕДЕНИЯ ОЧИСТНЫХ РАБОТ ПОД НЕОСУШЕННЫМИ ВОДОНОСНЫМИ ГОРИЗОНТАМИ

Специальность 25.00.08 - Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Санкт-Петербург - 2015

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».

Научный руководитель:

доктор геолого-минералогических наук, профессор Дашко Регина Эдуардовна

Официальные оппоненты:

Королёв Владимир Александрович - доктор геолого-минералогических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова», кафедра инженерной и экологической геологии, профессор

Волкова Анастасия Валерьевна - кандидат геолого-минералогических наук, АО «Санкт-Петербургский научно-исследовательский изыскательский институт «Энергоизыскания», главный инженер

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

Защита состоится 30 июня 2015 г. в 11 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.224.11 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106, Санкт-Петербург, 21-я линия, дом 2, ауд. 1171а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный» и на сайте www.spmi.ru.

Автореферат разослан 30 апреля 2015 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ ГУСЕВ

диссертационного совета /у^ "ТсЬ Владимир Николаевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Яковлевское месторождение КМА относится к уникальным по запасам богатых железных руд (БЖР) и содержанию в них полезного компонента, а также по сложности инженерно-геологических условий, что определяется приуроченностью рудного тела к древним корам химического выветривания. В настоящее время горные работы на руднике ведутся под неосушенными водоносными горизонтами. При этом в нижнекаменноугольном горизонте, который залегает непосредственно над рудным телом, напоры воды достигают 370 м. Постоянное перетекание подземных вод этого горизонта в горные выработки сопровождается вторичным увлажнением богатых железных руд, которое приводит к активизации микробной деятельности в рудной толще, снижению прочности и устойчивости БЖР, вплоть до перехода наиболее слабых разностей в состояние плывунов.

К началу 2013 г. общая добыча руд с содержанием полезного компонента 65% и более превысила 1 млн. т., что вызвало активизацию деформаций пород и руд на горизонтах ведения очистных работ, интенсификацию перетекания вод нижнекаменноугольного водоносного горизонта, оплывание БЖР в боках выработок. К 2020 г. планируется увеличить добычу железной руды до 4,5 млн. т.

В 2004 г. на руднике была впервые установлена микробная деятельность в подземных выработках горизонтов -425 и -370 м, связанная как с корами химического выветривания железистых кварцитов, так и с перекрывающей осадочной толщей. Позднее были начаты наблюдения за особенностями развития микроорганизмов в рудном теле, жизнедеятельность которых неблагоприятно сказывается на состоянии наиболее слабых руд, а также способствует развитию биокоррозии металлических крепей и бетонов закладочного материала. В 2005 г. Санкт-Петербургским Горным университетом для рудника был разработан регламент комплексного мониторинга, который включал два блока наблюдений - в подземных выработках и на земной поверхности в пределах шахтного поля. Изучение состояния горных выработок на горизонтах -425 и -370 м позволило систематизировать инженерно-геологические процессы,

определяющие безопасность ведения горных работ в условиях

наращивания объема добычи полезного ископаемого.

При создании в 2005 г. регламента комплексного мониторинга на Яковлевском руднике контроль микробиологической деятельности в БЖР и подземных выработках не был включен в состав работ, поскольку эта проблема только начинала изучаться. Вместе с тем, как показали результаты дальнейших наблюдений, микробиота оказывает серьезное воздействие на все компоненты подземного пространства, играя важную роль в активизации и развитии опасных инженерно-геологических процессов в горных выработках.

Изучением влияния инженерно-геологических условий месторождений полезных ископаемых на развитие горногеологических процессов занимались П.М. Цимбаревич, Н.В. Мельников, С.П. Прохоров, Г.Г. Скворцов, В.Т. Глушко, Г.С. Золотарев, Г.А. Голодковская, Г.Л. Фисенко, Б.В. Смирнов, М.В. Сыроватко, Г.Н. Кузнецов, К.В. Руппенейт, В.Д. Ломтадзе, В.А. Мироненко, М.Е. Певзнер, И.П. Иванов, Р.Э. Дашко, Ю.М. Карташов, Ю.А. Норватов, Ю.И. Кутепов, А.Н. Шабаров, H.A. Кутепова и др. ученые.

Цель работы. Совершенствование структуры и содержания инженерно-геологического и микробиологического мониторинга на Яковлевском руднике для повышения безопасности ведения горных работ под неосушенными водоносными горизонтами в условиях увеличения объемов добычи БЖР.

Основные задачи исследований:

1. Развитие научно-практических основ комплексного инженерно-геологического и микробиологического мониторинга в подземных выработках Яковлевского рудника.

2. Исследование влияния микробной деятельности на преобразование БЖР, формирование и активизацию инженерно-геологических процессов в рудном теле, в том числе биокоррозионного разрушения металлических арочных крепей и бетонов закладочных смесей.

3. Оценка степени опасности инженерно-геологических процессов при воздействии микробиоты в условиях роста объемов добычи БЖР на Яковлевском руднике.

4. Изучение направленности коррозионных процессов по данным специализированных микробиологических исследований и химического анализа водных вытяжек из проб разрушенных конструкционных материалов.

Фактический материал и личный вклад автора.

Диссертация является продолжением научных исследований кафедры гидрогеологии и инженерной геологии Горного университета, проводимых на Яковлевском руднике с 1998 г. Автором работы был выполнен анализ большого количества фактических материалов, собранных в ходе полевых работ непосредственно на объекте исследования, проработаны многочисленные фондовые и литературные источники. При непосредственном участии автора на Яковлевском руднике проведено семь циклов гидрохимического и гидродинамического мониторинга (2010 - 2014 гг.), по результатам которых уточнены зоны различной степени интенсивности перетекания вод из неосушенного нижнекаменноугольного и осушенного в зоне ведения горных работ руднокристаллического горизонтов; выполнен один из этапов радоновой съемки (2010 г.) и несколько этапов специализированной съемки проявлений и активизации природно-техногенных процессов в подземных выработках, включая коррозию конструкционных материалов под воздействием микробиоты (20102014 гг.).

Основные методы исследований. Теоретические, полевые и лабораторные исследования в рамках комплексного инженерно-геологического мониторинга природно-техногенных процессов и водопроявлений в горных выработках; анализ данных наблюдений за гидродинамическими и гидрохимическими условиями основных водоносных горизонтов; лабораторные исследования состава подземных вод; приготовление водных вытяжек из проб разрушенных конструкционных материалов и их детальный химический анализ; специализированные микологические и бактериологические исследования проб вторичных образований, подземных вод и БЖР, отобранных в ходе обследования горных выработок, включающие определение численности и видового разнообразия микроорганизмов, а также анализ особенностей их

метаболизма; полевые эксперименты по длительному экспонированию металлических пластин и образцов хлопчатобумажных тканей в разных типах железных руд с последующим их изучением с помощью специальных микробиологических и аналитических методов (смывов и посевов на питательные среды, взвешивания, сканирующей электронной микроскопии, рентгено-фазового анализа и др.); экспериментальное изучение состава, состояния и физико-механических свойств железных руд различного типа и их изменения под воздействием подземных вод и микробной деятельности.

Научная новизна:

^ Установлены источники поступления микробиоты в подземные выработки Яковлевского рудника и определены основные факторы ее активизации.

Выполнена инженерно-геологическая оценка негативной роли различных физиологических групп микроорганизмов, выявленных в рудном теле и в подземных выработках, в изменении состояния и свойств богатых железных руд, развитии плывунов, биокоррозии закладочных смесей и металлических крепей.

^ Разработаны научно-практические основы комплексного микробиологического мониторинга в горных выработках как основы предупреждения и локализации опасных инженерно-геологических процессов и явлений; предложена методика полевых и лабораторных экспериментов по оценке агрессивности подземной среды и определению динамики биокоррозионного разрушения конструкционных материалов.

Защищаемые положения:

1. Совершенствование комплексного инженерно-

геологического мониторинга на Яковлевском руднике должно базироваться на учете особенностей строения и свойств рудной залежи как образования древних кор химического выветривания, специфики ведения горных работ под неосушенными высоконапорными водоносными горизонтами в условиях интенсификации добычи железных руд и высокой степени физико-химической, химической и биохимической агрессивности компонентов подземной среды к конструкционным материалам.

2. Сложное сообщество микроорганизмов в рудном теле генерируется за счет природных биоценозов, связанных с формированием древних кор химического выветривания, переносом микробиоты подземными водами из неосушенного нижнекаменноугольного водоносного горизонта и гранитных тел, а также ее поступлением с техногенными источниками.

3. Деятельность микроорганизмов различного генезиса в рудном теле необходимо анализировать с позиций ее активизации под воздействием техногенного загрязнения и влияния на устойчивость богатых железных руд в горных выработках и водозащитном целике, а также деструкционной активности биоценозов по отношению к металлам, бетонам и дереву, в первую очередь - к арочным крепям.

Практическая значимость:

1. Предложены новые методические походы к проведению инженерно-геологических исследований на месторождении богатых железных руд, разрабатываемом подземным способом в условиях интенсивного развития микробной деятельности.

2. Выделены основные инженерно-геологические факторы активизации подземной микробиоты, определяющие эксплуатационную надежность горных выработок, пройденных в древних корах химического выветривания железистых кварцитов и сланцев.

3. Установлена специфика инженерно-геологических и гидрогеологических условий месторождения при увеличении объемов добычи богатых железных руд и обоснована необходимость включения в структуру комплексного мониторинга специализированных исследований подземной микробиоты.

4. Разработана методика полевой оценки динамики коррозионных процессов путем закладки в БЖР опытных образцов материалов.

5. Даны методические рекомендации по проведению микробиологического мониторинга на руднике.

Достоверность научных положений и выводов, сформулированных в диссертационной работе, базируется на анализе фондовых и литературных источников, а также большого

количества фактического материала, полученного в ходе длительных исследований Яковлевского месторождения. Выводы и рекомендации основаны на многочисленных экспериментальных работах, аналитической обработке данных комплексного инженерно-геологического мониторинга, который проводится на протяжении более 10 лет сотрудниками Горного университета, геологического и маркшейдерского отделов Яковлевского рудника. В диссертационной работе использованы результаты, полученные в ходе проведения научно-исследовательских работ при непосредственном участии автора: «Комплексное использование природных ресурсов Яковлевского месторождения богатых железных руд для развития высокотехнологичного производства и выпуска продукции широкой номенклатуры» (2011, 2012 гг.), «Научное сопровождение горных работ на Яковлевском руднике» (2011, 2012 г.), «Геотехническое прогнозирование влияния микробиотической деятельности на безопасность освоения и использования подземного пространства мегаполисов и горнопромышленных регионов» (2012 г.), «Научное сопровождение горных работ при освоении Яковлевского месторождения» (2013, 2014 гг.).

Реализация результатов исследований. Полученные результаты рекомендуются к применению для прогнозирования развития инженерно-геологических процессов, изучения вопросов устойчивости горных выработок и обоснования выбора конструкционных материалов при разработке подземным способом месторождений полезных ископаемых, приуроченных к корам химического выветривания и характеризующимся благоприятными для развития микробиоты условиями. Результаты исследований могут быть внедрены в практику работ на ООО «Металл-групп» Яковлевский рудник и предлагаются к использованию в научно-исследовательских и проектных организациях: институт «Центрогипроруда», г. Белгород; ФГУП ВИОГЕМ, г. Белгород; ООО «Институт Гипроникель», г. Санкт-Петербург; ОАО «Гипроруда», г. Санкт-Петербург.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях: «Полезные

ископаемые России и их освоение» («Горный университет», Санкт-Петербург, 2011-2015 гг.), «Проблемы недропользования» (Институт горного дела УрО РАН, Екатеринбург, 2013 г.), «Шестнадцатые Сергеевские чтения - Развитие научных идей академика Е.М. Сергеева на современном этапе» (Институт геоэкологии имени Е.М. Сергеева РАН, Москва, 2014 г.), «Innovations in Mineral Ressource Value Chains - Geology, Mining, Processing, Economies, Safety, and Environmental Management» (TU Bergakademie Freiberg, Freiberg, Germany, 2014 г.), а также на заседаниях кафедры гидрогеологии и инженерной геологии Национального минерально-сырьевого университета «Горный» (Санкт-Петербург, 2011-2015 гг.).

Публикации. Результаты диссертации отражены в 8 опубликованных работах, 3 из которых в журналах, входящих в перечень, рекомендованный ВАК Минобрнауки России.

Объем и структура работы. Текст диссертационной работы состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 269 страницах машинописного текста, и содержит 135 рисунков, 49 таблиц и список литературы из 150 наименований.

Автор выражает глубокую признательность за неоценимую помощь и поддержку на всех этапах подготовки диссертационной работы научному руководителю д.г.-м.н., проф. Р.Э. Дашко; благодарит всех сотрудников и членов кафедры гидрогеологии и инженерной геологии за обсуждение материалов диссертации и критические замечания к работе; главного гидрогеолога Д.А. Кирилловского и геологический отдел Яковлевского рудника за помощь в проведении мониторинговых наблюдений; д.б.н., проф., заведующего лабораторией микологии и альгологии СПбГУ Д.Ю. Власова за помощь в проведении микробиологических исследований и анализе их результатов.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ИХ ОБОСНОВАНИЕ

1. Совершенствование комплексного инженерно-геологического мониторинга на Яковлевском руднике должно базироваться на учете особенностей строения и свойств рудной залежи как образования древних кор химического выветривания, специфики ведения горных работ под неосушенными

высоконапорными водоносными горизонтами в условиях интенсификации добычи железных руд и высокой степени физико-химической, химической и биохимической агрессивности компонентов подземной среды к конструкционным материалам.

Горные предприятия традиционно считаются одним из самых опасных производств, что объясняется инженерно-геологическими условиями, в которых ведутся подземные горные работы. Учет специфики таких условий на Яковлевском руднике, особенностей свойств добываемых богатых железных руд и связанной с ними проблемы устойчивости подземных выработок лежит в основе обеспечения безопасности горных работ, предопределяя выбор системы отработки полезного ископаемого. В настоящее время добыча на месторождении ведется с использованием комбинированной камерно-слоевой системы с полной закладкой выработанного пространства быстротвердеющими материалами.

Горнодобывающее предприятие демонстрирует довольно высокие темпы развития: с 2008 года рудник последовательно удваивал объемы добычи железной руды каждый год - с 250 тыс. тонн до 500 тыс.; в 2012 году впервые был добыт 1 млн. тонн руды. В 2014 г. также четко прослеживался рост добычи БЖР, однако согласно новым проектным решениям годовой объем извлекаемой руды не должен был превышать 1,4 млн. тонн. Такое ограничение связано с развивающимися деформациями кровли выработок, которые на сегодняшний день достигли 1 м, а также интенсификацией перетекания вод из высоконапорного нижнекаменноугольного горизонта, залегающего над рудным телом.

Специфика инженерно-геологических условий определяется приуроченностью полезного ископаемого к корам химического выветривания, залегающим под мощной толщей осадочных пород верхнего палеозоя, мезозоя и кайнозоя на глубинах, превышающих 500 м (рисунок 1). Такие месторождения требуют особого подхода к изучению и прогнозированию изменения состояния и физико-механических свойств БЖР и трещиноватых материнских пород с различной степенью обводнения и микробной пораженности в условиях сложного напряженно-деформированного состояния.

Строение рудной залежи месторождения характеризуется

неоднородностью, связанной с дезинтегрированностью слагающих ее руд и пород, а также с зональностью, проявляющейся в стратифицированности, унаследованной от материнской железорудной свиты, и в наличии зон эпигенетической цементации, сформировавших различные по физическому состоянию и прочности типы руд (рисунок 2). Карбонатизированные разности, обладающие среди них наибольшей прочностью на одноосное сжатие - до 10 МПа, служат жестким каркасом рудного тела, определяя его устойчивость.

Генезис БЖР, который связан с активными химическими и биохимическими процессами, сопровождающимися выносом кремнезема из железистых кварцитов и сланцев, предопределяет ряд особенностей в их строении, залегании и инженерно-геологических характеристиках: плащеобразную форму рудного тела; незакономерное распределение руд разных типов по мощности и простиранию, варьирование степени их трещиноватости; высокую пористость за счет процессов выщелачивания; неравномерную водопроницаемость по площади и глубине разреза рудной толщи, вмещающих и перекрывающих ее пород; высокую гидрофильность некоторых типов БЖР и степень изменчивости прочности руд и пород; анизотропию их физико-механических свойств; присутствие глинистых продуктов выветривания в дисперсных рудах.

Сложность гидрогеологических условий Яковлевского железорудного месторождения определяется совокупностью гидродинамических и гидрохимических факторов.

1. Наличием в кровле выработок неосушенных водоносных горизонтов (см. рисунок 1). Особую опасность представляет нижнекаменноугольный водоносный горизонт с напором до 370 м, который непосредственно залегает над рудным телом и дает в процессе перетекания до 70% общего водопритока в горные выработки; для него характерен непостоянный гидродинамический режим, зависящий от работы высокодебитной дренажной скважины 806 и технологии ведения закладочных работ (рисунок 3). Создание непроницаемого слоя на горизонте -370 м из легких бетонов снижает интенсивность нисходящей фильтрации вод указанного горизонта, что приводит к временному подъему его

пьезометрического уровня.

2. Сложностью и неполнотой осушения руднокристаллического водоносного горизонта из-за гидрофильности БЖР, связанной с повышенным содержанием пылеватых, глинистых частиц и высокоактивных коллоидов железа, а также из-за малых коэффициентов фильтрации рыхлых, полурыхлых руд и вмещающих их пород.

3. Усилением интенсивности перетекания маломинерализованных вод, содержащих микробиоту и продукты ее метаболизма, прежде всего, Н28 и С02, из нижнекаменноугольного водоносного горизонта за счет повышения градиента напора при осушении руднокристаллического горизонта. Наблюдения за развитием перетекания таких вод необходимы не только в связи с потенциальной их агрессивностью по отношению к карбонатному цементу железных руд, слагающих жесткий каркас водозащитного целика, но и по отношению к металлам крепей и к закладочным материалам.

Подземные воды Яковлевского месторождения, согласно данным гидрогеохимического мониторинга, характеризуются отрицательными значениями окислительно-восстановительного потенциала, благоприятными для протекания электрохимической коррозии и развития анаэробных микроорганизмов. На микробную компоненту следует обратить особое внимание при изучении формирования агрессивности подземного пространства рудника. Установлено, что микроорганизмы и образуемые ими биопленки, развивающиеся при обильном содержании влаги и наличии питательного субстрата, являются одним из основных агентов коррозии, ускоряющих разрушение поверхности корродируемого субстрата, в роли которого могут выступать металлы и бетоны, путем воздействия на них продуктами метаболизма, а также извлечения необходимых для их жизнедеятельности ионов и соединений.

2. Сложное сообщество микроорганизмов в рудном теле генерируется за счет природных биоценозов, связанных с формированием древних кор химического выветривания, переносом микробиоты подземными водами из неосушенного

'УтТгПттпТгм IЛ1 Гм и и I и 1 Ги ГШ! П 1=&1

2005 ■■ 2013 п ■шор—370 м

перетекан^]в°Д

горизонт -370 м -400-

горизонт -425 м

Т ¿т'Гал/"

О 20 40

I-——Г-

Учтыше абоммсищ

ЕИЗ

ез

шина песчанисты

О

| П ньезомсфичсская поверхность нижнскамснноутолыюи)

1 водоносно? о горнтонга на 2005 и 2013гг Г 1 пьезометрическая поверхность ннжнекамснноугольнот

Г"" %

ЕВ

ЖСЛС 1НЫС рулы

ЖСЛГ1НСТЫС КЫЦ1ЦИ гы

водоносного трюонта нл 2011 н 2014 гг ньсючсфичсская поверх ноеп. нижнекаменноугольного водоносного трюонта на 2001 г

Впье чомсфичсская но »ер \ нос гь ннжнекаченноугольного водоносного горн*и>нта до осушения

июни мышЛ.пя I I пппи> квирцигы С17773 '»ьетомефическм помрхностъ рудно»фнетжллнчес1аого 1 ' ' 11ЫПШИУНШП тругшнтп ип ?()14 I

Рисунок 1 - Геолого-гидрогеологический разрез Яковлевского рудника с положением пьезометрических уровней нижнекаменноугольного (в различные периоды времени) и руднокристаллического (на 2014 г.) водоносных горизонтов

- полускальные относительно крепкие руды и породы

• полускальные рулы и породы средней прочности

- сцементированные относительно Re* 2-10 Mlla слабые руды и породы

полурыхлые руды

чередование рыхлых руд с

полускильнычи

рыхлые

руды

Рисунок 2 - Схематическое распределение различных по прочности типов руд в разрезе рудного тела Яковлевского месторождения по линии 111-1200

(поданным А.Н. Цибизова)

= * е I

и

1 1 -f

А * . АЛ А ÍY'Vf-' í/V-^A"., цк А: \ i

Д

i V \АMU лл. MV

ДЛЛГ—t -i 1 v \ ч i M /,"/>

к il • 1 1 1 в • ч ' V\_, } U ш V 1, l |МгЛ А и И

í VVA. r r» > i, i '/>>« 11 ___г

v'-f. v V¿*J

1 _ V 1

i т йЩЯйМН! ii8 Ш

——Иычоя. поверхность ннжиекам.водоносногогор., м --•Деои1, нЗ/ч гкв. 806---Ваюпрнток, чЗ/ч

Рисунок 3 - Изменение общего водопритока и уровня нижнекаменноугольного горизонта в зависимости от дебита скв. 806 во

времени (2005-2014 гг.)

Рисунок 4 - Источники поступления микробиоты в рудную толщу

Т М=о,5 г/п

зтредуцирующих и других ! форм микроорганизмов при нисходящем и вод нижнекаменноугольного горизонта

Рудное тело

профной

ы при ких

4. Привнос микроорганизмов с поверхности древесиной забутовки

1 1 1 5 ' V 1

2007 2011 20 2 2013

Рисунок 5 - Изменение величины БПК5 и перманганатного индекса в руднокристаллическом горизонте во времени (2007-2013 гг.)

Рисунок 6 - Положение в разрезе нижнекаменноугольных известняков углистых и битуминозных глин

Таблица 1 - Результаты бактериологического анализа проб воды и слизистых образований из различных водопроявлений водоносных горизонтов (июль 2014 г.)

№ пробы Место отбора Водоносный горизонт Название питательных сред и численность клеток в 1 г субстрата

ГМФ ПВА СрА КАА Тио СФ ЖВ

3 вода нз скв. 806 нижнекаменноугольный 104 104 102 10' ю7 ю4 ю4

4 вода из скв. 472 10J 103 . 102 ю4 ю2 103

5 вода нз тектонической трещины в кровле ПОСО 10' ю4 102 101 102 ю2 -

7 вода из кровельного капежа по тектонической трещине в ПОСО 10' ю4 - 103 ю5 103 ю3

20 вода из скв 1101 104 ю4 - 10' 10- - 10*

16 вода из почвенного самонзлива в РШ№7 руднокристаллический 10« ю4 102 ю3 103 10« ю2

16а слизь нз почвенного самонзлива в РШ№7 10' 10' ю2 10* ю4 10« 10«

166 белые нити из почвенного водопроявления в РШ№7 ю7 10' 102 ю4 ю4 10« 10«

21 вода из тект. трещины в вагонном депо воды тектонических трещин гранитного массива 10« 10« ю3 ю5 10« ю7 10«

23 охристая слизь из водопроявления по тект трещине в вагонном депо 10« 10« 102 10' 10« 105 103

Примечание: ГМФ - гидролизат мяса ферментативный (среда для широкого круга гетеротрофных бактерий); СрА - среда Александрова (для силикатных бактерий); ПВА - пептонная вода агаризованная (для выделения аммонифицирующих гетеротрофных бактерий); КАА - крахмально-аммиачный агар (среда для выделения актиномицетов); Тио - среда для выделения тионовых бактерий; СФ - среда для выделения сульфатредуцирующих бактерий; ЖВ - среда для выделения железовосстанавливающих бактерий.

нижнекаменноугольного водоносного горизонта и гранитных тел, а также ее поступлением с техногенными источниками.

БЖР Яковлевского месторождения представляют собой элювиальные образования, связанные с формированием протерозойской коры химического выветривания железистых кварцитов и сланцев. Как известно, химические коры выветривания образуются под воздействием целого ряда факторов, к важнейшим из которых относится участие богатой микрофлоры, ускоряющей процессы химического преобразования материнских пород. Ее активная жизнедеятельность наблюдается и в настоящее время. Бактерии, обнаруживаемые на больших глубинах в толще обводненных горных пород, рассматриваются как постоянно развивающиеся формы древней микрофлоры, чье существование обязано протеканию автолитических ферментативных процессов.

Железобактерии в железистых кварцитах КМА были описаны еще в 1943 г. член-кор. АН СССР А.Г. Вологдиным. В 60-е годы прошлого века американскими, российскими и австралийскими учеными были зафиксированы многочисленные случаи сохранения в кремнистых образованиях древнего докембрия цианобактерий. В протерозойских джеспилитах КМА фоссилизированные цианобактерии были идентифицированы А.Ю. Розановым в 1999 г. Фоссилизированные формы микрожизни, обнаруженные на месторождениях КМА, являются убедительным подтверждением микробного генезиса отложений железа.

Кроме микроорганизмов, связанных непосредственно с формированием кор химического выветривания железистых кварцитов, на Яковлевском руднике выделяют также микробиоту, привнесенную в рудную толщу за счет: 1) восходящего перетекания подземных вод через тектонические трещины из гранитных тел в результате движения жидких и газовых флюидов; 2) нисходящего движения подземных вод из высоконапорного неосушенного нижнекаменноугольного водоносного горизонта (рисунок 4).

В пользу первого из названных дополнительных источников поступления микробиоты говорят результаты

газохроматографических исследований проб воды, отобранных из

минерализованных водопроявлений по тектоническим трещинам гранитных массивов, которые свидетельствуют о достаточно высоком содержании в воде измененных липидов (жиров) и моносахаров (углеводов). Кроме того, с использованием биохимического метода Лоури было определено большое количество белков в пробах минерализованных вод, достигающее 233 мкг/мл. Постоянный гидрогеохимический мониторинг за состоянием подземных вод на руднике показал высокие содержания органической составляющей в водах гранитных массивов. При этом величина БПК5 свидетельствует об активности аэробных форм микроорганизмов, тесно коррелируя с величиной перманганатной окисляемости и повышенным показателем ХПК, достигающим 232 мг02/дм3 (рисунок 5).

В пределах Яковлевского месторождения при заселении микроорганизмами рудной толщи большую роль также играет ранее упомянутое нисходящее перетекание подземных вод из известняков карбона, в которых протекают биохимические процессы восстановления серы и образования сероводорода, что подтверждается наличием включений пирита и марказита в нижнекаменноугольных породах. Генерация сероводорода происходит в анаэробной среде при активной деятельности сульфатредуцирующих бактерий, относящихся к числу гетеротрофных мезофильных организмов, в условиях наличия органического вещества, в качестве которого выступают тонкие прослои бурых углей и углистых глин, а также битуминозных сланцев в средней и особенно нижней частях разреза нижнекаменноугольной толщи (рисунок 6). Как показали лабораторные исследования, воды данного горизонта характеризуются аномально высоким содержанием агрессивной углекислоты, изменяющимся в пределах от 200 до 310 мг/дм3, что доказывает активность микробных процессов, поскольку диоксид углерода рассматривается как продукт дыхания микроорганизмов.

Заселенность подземных вод месторождения микробиотой подтверждается результатами прямых микробиологических исследований, выявивших в них присутствие сульфатредуцирующих, железовосстанавливающих бактерий, а

также тионовых, аммонифицирующих и ряда других групп (таблица 1).

Кроме перечисленных источников микробиоты в рудном теле следует также упомянуть поступление микроорганизмов в подземные выработки с потоками воздуха через вентиляционные системы, а также привнос с поверхности персоналом и механизмами.

3. Деятельность микроорганизмов различного генезиса в рудном теле необходимо анализировать с позиций ее активизации под воздействием техногенного загрязнения и влияния на устойчивость богатых железных руд в горных выработках и водозащитном целике, а также деструкционной активности биоценозов по отношению к металлам, бетонам и дереву, в первую очередь - к арочным крепям.

Интенсивность жизнедеятельности микроорганизмов определяется наличием питательных и энергетических субстратов, поступающих за счет природных и техногенных источников, связана с особенностями физико-химических, биохимических и температурных условий подземной среды. На Яковлевском руднике для развития микробиоты сформировался комплекс благоприятных факторов (рисунок 7, таблица 2). Особое значение для активизации микробной деятельности имеет воздействие небольших доз радиации, поступающих при эксгаляциях радона по тектоническим трещинам (от 15 до 1220 Бк/м3), и слабых магнитных полей (<1 мТл), связанных с железными рудами. Кроме того, техногенную нагрузку на все компоненты геологической среды увеличивают такие факторы как локальное загрязнение подземных выработок горюче-смазочными материалами, вторичное увлажнение руд и пород, которые приводят к изменению физико-химической, биохимической обстановки на руднике и к интенсификации микробной деятельности (рисунок 8, таблица 3).

Микробиологические исследования, проведенные на руднике, включали изучение влияния контаминации БЖР соляровым маслом на рост величины микробной массы (ММ) в них. Известно, что бактерии легко усваивают большинство

органических веществ, и поступление углеводородов служит для них дополнительным питательным и энергетическим субстратом. Небольшая добавка солярового масла в образцах обводненных руд приводит к заметному повышению содержания ММ за счет активизации деятельности гетеротрофных бактерий, существенно изменяющей дисперсное состояние руд в сторону возрастания содержания тонкодисперсной фракции.

В настоящее время микроорганизмы обнаружены во всех типах БЖР, однако меняется их численность и видовой состав. Негативное воздействие микробной деятельности проявляется в изменении свойств БЖР, их прочности и деформационной способности, что связано с биохимическим газообразованием и формированием на поверхности дисперсных частиц бактериальных пленок, значительно снижающих угол внутреннего трения руды, усиливающих ее плывунные свойства, тем самым способствуя развитию опасных геофильтрационных процессов (таблица 4).

В ходе проведения обследования горных выработок рудника в 2012 г. было зафиксировано интенсивное биокоррозионное разрушение металлов и бетонов. С целью изучения данного процесса в 2013-14 гг. выполнены комплексные исследования, включавшие визуальные наблюдения, отбор проб поврежденных конструкционных материалов и различных вторичных образований для микробиологического анализа и изучения химического состава приготовленных из них водных вытяжек, дополненных сканирующей электронной микроскопией и рентгено-фазовым анализом. Выполненные работы подтвердили высокую опасность биокоррозионных процессов. Установлено, что основными физиологическими группами микроорганизмов, принимающими участие в процессах разрушения металлов на руднике, являются сульфатредуцирующие, железовосстанавливающие бактерии, микромицеты, а в некоторых случаях - тионовые бактерии. В разрушении бетонов помимо перечисленных групп участвуют актиномицеты и силикатные бактерии.

В связи с многочисленными случаями преждевременного выхода из строя металлических арочных крепей и значительным сокращением их срока службы начаты работы по оценке состояния

Факторы активизации жизнедеятельности микроорганизмов в рудном теле Яковлевского рудника

¡¡агрязнение

нефтепродуктам!

(горючесмазочным!

теитературный фон в

зонах твердения

закладочного

Вторичное

увлажнение рудного

тела в ходе процесса перетеканн»

Поступление радона и других зквнаций по тектоническим трещинам

Поступление минерализованных воде высоки» содержанием органики из трещин гранитных массивов

Действие слабых магтаггных полей

Повышенна»

темтература

подзекмых вод

Рисунок 7 - Схематизация основных факторов активизации жизнедеятельности микроорганизмов в рудном теле Яковлевского рудника

х

и и я 5

I

а.

л К 5

180

160

и 140

2

г 120

5

5 100

80

60

12 3 4

Время наблюдений, мсс.

Рисунок 8 - Рост величины микробной массы в БЖР при их контаминации соляровым маслом во времени

Таблица 2 - Факторы, способствующие развитию микробиоты в эудном теле Яковлевского рудника

Факторы Основные показатели Показатели и оптимальные их значения для развития микроорганизмов, необходимые компоненты Показателя н компоненты в пределах Яковлевского рудника Тип микроорганизмов, характерный для заданных условий

Фнзнко-химнческне Температура 20-35°С 24-27°С Мезофильные группы

Минерализация 1000-10000 мг дм3 400-12000 мг дм3 Аэробная, факультативная н анаэробная микрофлора

рн 5,5-8,0 7,0-8,63 Нейтрофнльные микроорганизмы Развитие нитрифицирующих н тноновых бактерий в аэробных условиях Развитие анаэробов водах с повышенной минерализацией

ЕЬ <50шУ <50 тУ Сульфатредуцнруюшие и другие анаэробные формы микроорганизмов

Источники питания н энергии Макрокомпоненты С, N. Р, О, Н, Б, N8, К, Са. Мг. Те С, N. О. Н, Б, Р, Ка, Са, Ге Развитие гетеротрофных форм микроорганизмов

Микрокомпоненты Те. №. Со. Сг, Си, Бе, Та Ре, № (тш), Со (пип) н др.

Органика ХПК МГО; дм3 14,3-35,6

Другие Действие слабых магнитных полей меньше 1 мТл 0,1-0,5 мТл Развитие различных гетеротрофных форм микроорганизмов, в том числе обладающих матиитотакснсом

Эксталяцнн радою из тектонических трещин от 47 до 1220 Бкм3 не установлены

Таблица 3 - Рост величины микробной массы при водонасыщении богатых железных руд__

Величина микробной массы, мкг/г

№ пробы 1 2 3 4 5

Воздушно-сухой образец 15,4 24,4 25,5 32,4 35,8

Водонасыщенный образец 69,1 82,8 74,9 117,3 110,0

Таблица 4 - Значение угла внутреннего трения БЖР в зависимости от степени их микробной пораженности и увлажнения (по Р.Э. Дашко)

Величина угла внутреннего трения БЖР Основные факторы, определяющие величину угла внутреннего трения Методика определения угла внутреннего трения

Ф=2-8° Увлажненная руда при содержании ММ>100 мкг/г Сдвиг в одноплоскостном срезном приборе по схеме ко нсол ид и ро ван но го дренированного испытания

Ф= 10-15° Увлажненная руда при содержании ММ<50 мкг/г

Ф=20-23° Воздушно-сухая руда при содержании ММ<30мкг/г

Таблица 5 - Относительная потеря массы опытных металлических

пластин во времени при взаимодействии с БЖР разных типов

Тип руды 5 £ Наличие искусственной питательной среды Относительная потеря массы во времени, % Скорость потери массы. %/мес

2 мес. 4 мес.

железнослюдково-мартитовые («синьки») 1 - -0,69 -0,78 0,20

+ -0,71 -1,42 0,36

гетит-гидрогематитовые («краски») 2 - -0,24 -2,19 0,55

+ -0,79 -4,41 1,10

железнослюдково-мартитовые («синьки») 3 - -0,58 -1,81 0,45

+ -0,61 -2,97 0,74

гетит-гидрогематитовые («краски») 4 - -1,52 -3,21 0,80

+ -1,99 -3,00 0,75

Примечание: «-» - без среды; «+»- со средой

Рисурок 9 - Вид опытных металлических пластин до заложения в богатые железные руды

Таблица 6 - Характер изменения поверхности металлических пластин

после 4 месяцев экспонирования в БЖР типа «синьки» и «краски» 1 Точка №1 (гор. -370 м) | Точка №3 (гор. -425 м)

35 О X А е; -Я <и £ са <и н а. к о с со и иа и ■ЖЙЯШ Н" * •

)Я о X £ « ^ о ? § К <0 Н О. в ° с и г 1

Точка №2 (гор. -370 м) Точка №4 (гор. -425 м)

15 О X Л ^ -я р ч са а) Р о. 5 О С м и из 1 1 1

>5 О X £ « Й о Й к И о. с и гУ>|

конструкционных материалов в подземных выработках рудника и изучению динамики развития в них коррозии. В 2014-2015 гг. проведены полевые испытания по закладке опытных металлических пластин и образцов хлопчатобумажных тканей в БЖР разного типа (рисунок 9). Задача эксперимента заключалась в длительном экспонировании образцов в обстановке, максимально приближенной к реальным условиям, в которых пребывают металлические крепи в горных выработках: агрессивной анаэробной среде, представленной дисперсными рудами различного гранулометрического состава, с высокой влажностью и большим количеством микроорганизмов - привнесенных и аборигенных.

Установлено, что степень повреждения и глубина развития коррозионных процессов определяются сроком эксплуатации горных выработок и давностью проведения ремонтных работ, влажностным режимом, интенсивностью вентиляции, типом пород и руд, в которых пройдены горные выработки, а также наличием вблизи исследуемого участка деревянной забутовки, выступающей для микроорганизмов в качестве питательного субстрата. Наиболее активная коррозия характерна для руд типа «краски», тогда как в «синьках» она протекает менее интенсивно. Дополнительное увлажнение руд подземными водами значительно ускоряет коррозионные процессы. Взвешивание экспериментальных пластин через 2 месяца экспонирования показало, что относительная потеря массы некоторых из них достигала 2%, а в течение последующих 2 месяцев нахождения во влажных, агрессивных рудах возрастала до 4,4% (таблица 5). В ряде случаев наблюдалось развитие глубокой язвенной коррозии (таблица 6).

В целом, экстраполяция результатов модельного эксперимента на реальные металлические конструкции позволяет сделать вывод о необходимости учета биокоррозионных процессов при эксплуатации крепей длительного срока службы, в особенности в высокоактивных рудах типа «краски». Если время работы крепей составляет 3-4 месяца, то эти процессы не приводят к существенному снижению их несущей способности. Упомянутый «тканевый метод» рекомендуется использовать в качестве

экспресс-метода оценки коррозионной активности БЖР.

Таким образом, для обеспечения безопасности ведения горных работ на Яковлевском руднике необходимо применять расширенный подход к изучению инженерно-геологических процессов, принимая во внимание не только традиционные, но и не учитываемые в теории и практике инженерной геологии месторождений полезных ископаемых, такие как микробная деятельность в обводненной рудной толще и перекрывающих породах, обогащенных органическим веществом. Рекомендуется включение в регламент действующего мониторинга наблюдений за микробиотой, являющейся важной компонентой подземного пространства Яковлевского месторождения, которая активно влияет на безопасность эксплуатации рудника.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволяют сделать следующие выводы:

1. Инженерно-геологические условия Яковлевского месторождения характеризуются большой сложностью, связанной со спецификой БЖР и особенностями ведения горных работ. При общем достаточно высоком уровне изученности геологии и гидрогеологии района некоторые инженерно-геологические аспекты таких условий исследованы недостаточно полно. Для достоверной оценки и прогноза устойчивости подземных выработок важен учет структурно-тектонических особенностей территории месторождения. В плане гидрогеологии основное внимание должно быть обращено на исследование снижения прочности руд в водозащитном целике за счет перетекания маломинерализованных вод нижнекаменноугольного горизонта, содержащих агрессивную микробиоту и продукты ее метаболизма - сероводород и диоксид углерода. Необходимо учитывать эксгаляцию радона по тектоническим трещинам с позиции процессов радиолиза пород, руд и конструкционных материалов, а также активизации деятельности микроорганизмов.

2. Поступление микробиоты в горные выработки Яковлевского рудника связано с различными источниками:

аборигенной микрофлорой, приуроченной к древним корам химического выветривания; поступлением в рудную толщу за счет перетекания подземных вод из различных водоносных горизонтов и с техногенными объектами.

3. Микроорганизмы, а также продукты их метаболизма играют важную роль в трансформации гранулометрического состава, фильтрационных свойств, прочности и деформационных характеристик БЖР, способствуя развитию опасных гравитационных и геофильтрационных процессов в горных выработках.

4. Установлена высокая значимость биокоррозионных процессов для обеспечения безопасности ведения горных работ на Яковлевском руднике. На основании проведенных полевых экспериментов по заложению опытных металлических пластин в БЖР различного типа и их длительному экспонированию в коррозионной среде показано, что скорость разрушения подземных конструкций может быть очень высокой (потери по массе до 1% в месяц), при этом наиболее коррозионно-активными являются БЖР типа «краски». Этот момент необходимо учитывать при оценке устойчивости металлических крепей длительного срока службы.

5. Разработаны методические рекомендации по проведению микробиологического мониторинга в подземных выработках, включающие контроль подземных вод и их агрессивности по отношению к конструкционным материалам и карбонатному цементу руд, периодические обследования горных выработок с целью оценки состояния несущих конструкций и проведения специализированного опробования с последующим выполнением комплекса аналитических исследований и разработкой на основе полученной информации необходимых защитных мероприятий.

Список основных публикаций по теме диссертации

1.Дашко, Р.Э. Влияние закачки рудничных вод в нижнекаменноугольный водоносный горизонт на устойчивость водозащитного целика Яковлевского рудника одноименного месторождения КМА (физико-химические и биохимические аспекты) / Р.Э. Дашко, И.В. Алексеев // Записки Горного института, №206.-СПб, 2013. С. 9-13.

2. Дашко, Р.Э. Микробная деятельность в подземных выработках и ее влияние на свойства богатых железных руд и конструкционных материалов / Р.Э. Дашко, И.В. Алексеев // Записки Горного института. - 2012. - №195. - С. 15-18.

3. Дашко, Р.Э. Особенности развития горно-геологических процессов на Яковлевском руднике богатых железных руд при активизации микробной деятельности / Р.Э. Дашко, И.В. Алексеев // Известия высших учебных заведений. Горный журнал, №5. -Екатеринбург, 2013, с. 115-122.

4. Дашко, Р.Э. Микробиота богатых железных руд Яковлевского месторождения как антропогенно-генетический фактор формирования инженерно-геологических условий / Р.Э. Дашко, И.В. Алексеев // «Сергеевские чтения. Развитие научных идей академика Е.М. Сергеева на современном этапе». Вып. 16. - М.: РУДН, 2014. - С. 392-397.

5. Дашко, Р.Э. Значение микробиологических процессов при геотехническом и инженерно-геологическом обеспечении устойчивости подземных выработок Яковлевского рудника (Курская магнитная аномалия) / Р.Э. Дашко, И.В. Алексеев // «Геотехника», №4, 2013. С. 20-31.

6. Дашко, Р.Э. Роль микробиологической деятельности при геотехнической оценке безопасности ведения горных работ на Яковлевском руднике (КМА) / Р.Э. Дашко, И.В. Алексеев // Труды Международной конференции по геотехнике Технического комитета 207 ISSMGE, 2014. Т.2. - С. 189-197.

7. Dashko R.E. Features of corrosion damage of métal arch support in the underground workings at the Yakovlevskiy mine (KMA) / R.E. Dashko, I.V. Alekseev // Scientific Reports on Resource Issues. -Freiberg. - 2014. V. 1. - P. 227-231.

РИЦ Горного университета. 23.04.2015. 3.334. Т. 100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

2015677603

2015677603