Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Сульфатно-карбонатный карст серных месторождений предкарпатья

ВАК РФ 04.00.01, Общая и региональная геология

Автореферат диссертации по теме "Сульфатно-карбонатный карст серных месторождений предкарпатья"

Львовский ордена Ленива государственный университет им. И.Франко

На правах рукописи

КОННИКОВ НИКОЛАЙ НИКОЛАЕВИЧ

СУЛЬФАТНО-КАРБОНАТНЫЙ КАРСТ СЕРНЫХ МЕСТОРСВДЕНИЙ ПРВДКАРПАТЬЯ

Специальность 04.00.01 - общая и региональная геология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Львов - 1990

Работа выполнена в Институте геологии и геохимии горших ископаемых АН УССР и во Всесоюзном научно-исследовательском и проектном институте серной промышленности с опытным заводом.

НАУЧНЫЕ РУКОВОДИТЕЛИ:

член-корреспондент АН УССР, доктор геолого-минералогических наук, профессор[В.И.Китык]и доктор геолого-минералогических наук О.И.Петриченко.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

доктор геолого-минералогических наук, профессор В.Н.Дублянский

/Симферопольский государственный университет им.М.В.Фрунзе/,

кандидат геолого-минералогических наук Л.П.Мышкин /Львовский государственный университет им.И.Франко/.

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ:

Институт минеральных ресурсов ГлавКГУ "Укргеология", г.Симферополь.

Защита диссертации состоится 1990 г. в

час. в ауд. 219 на заседании Специализированного совета К.068.26.04. по присуждению ученой степени кандидата геолого-минералогических наук во Львовском государственном университете им. И.Франко по адресу: 290005, г.Львов, ул. М.С.Грушевского, 4.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке университета /г.Львов, ул. Драгоманова, 5/.

Автореферат разослан " ¿3 "о »^А^Л А 1990 г.

Ученый секретарь Специализированного совета профессор

А.А.Сиворонов

г", •, - ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИЗТЖА РАБОТ

'Актуальность проблемы. Химическая промышленность должна обеспечить производство минеральных удобрений серой - одним из основных компонентов при их производстве. На Предкарпатских предприятиях выпускается значительная часть серы, производимой в СССР. От ритмичной и бесперебойной работы серных предприятий в значительной степени, зависит снабжение народного хозяйства страны этим видом сырья.

Опыт эксплуатации серных месторождений Предкарпатья показал, что при их разработке начинает проявляться ряд инженерно-геологических процессов, которые в значительной степени осложняют горные работы. К таким процессам относится и техногенный карст.

Актуальность изучения закономерностей развития карста Пред-карпатского сероносного бассейна обусловлена поисками наилучшего способа разработки и освоения месторождений серы, дальнейшего развития и увеличения ее производства в условиях горно-геологических осложнений добычи и активизации техногенного карста, необходимостью дальнейшего развития научных вопросов карстообразо-вания.

Цель работы - научно-теоретическое обоснование классификационной схемы сульфатно-карбонатного карста и совершенствование методов изучения и защиты при техногенном карстообразовании.

Защищаемые научные положения:

1. Впервые установлено, что в районе серных месторождений Предкарпатья развит сульфатно-карбонатный тип карста.

2. Описан механизм карстообразования с позиций физико-химической механики.

3. Способ геотехнологической противокарстовой защиты, отличающийся использованием для тампонажа карстовых полостей отходов производства.

Реализация результатов с учетом анализа техногенной стадии развития на территории Яворовского ПО "Сера" /1978-1969 гп/ проявилась в прогнозировании карстопровальной опасности для целей строительства, проведения вскрышных работ на карьерах и в составлении исходных данных для проектирования первой очереди противофильтрационной завесы /ПФЗ/ на Яворовеком Ш "Сера".

Публикации по теме диссертации включают десять статей и двенадцать отчетов по научно-исследовательским работам.

Основные положения диссертации докладывались на Всесоюзном семинаре /г.Львов, 1978 г./ по теме¡"Закономерности образования и размещения месторождений серы как теоретическая основа их прогноза и поисков", производственных совещаниях на Яворовском ПО "Сера" и Роздольском ПО "Сера", семинарах НТС ИПТИ АН УССР, ВНИПИсера, ИМР ГлавКГУ "Укргеология" - в период написания работы.

Обьем и структура работы. Диссертационная■работа изложена на 146 страницах машинописного текста, состоит из введения, шести глав и заключения. Текстовая часть иллюстрируется 51 рисунками и 17 цифровыми таблицами. Список литературы содержит 175 наименований.

В процессе выполнения диссертационной работы автором проводились полевые экспедиционные работы по изучению карста и обнажений карстующихся пород, а также дешифрирование аэрофотоснимков для выявления поверхностных карстовых форм. Изучен керновый материал более 500 скважин, проанализированы геологические колонки и описания скважин /около 2000/ большинства месторождений серы Предкарпатья и прилегающих территорий, использовано около 20 ООО химанализов подземных и поверхностных вод. Произведены определения физико-механических параметров /пористость, трещиноватость, плотность, линейный и обьемный коэффициенты закарстованности и т.д./ свыше 200 образцов. Детально изучен разрез рудной зоны и карстующихся пород в карьерах Язовского, Подорожненского и Роз-дольского месторождений. Динамика движения подземных карстовых вод Язовского месторождения изучалась полевыми опытными работами с красителем на протяжении нескольких лет.

Автор принимал непосредственное участие в опытно-промышленных работах по тампонажу карстовых полостей. С участием автора выдавались заключения по карстопровальной опасности участков территории Яворовского ПО "Сера".

При разработке поставленных задач автор опирался на предшествующие работы в области геологии и гидрогеологии месторождений серы А.С.Соколова, Н.П.Юшкина, И.И.Алексенко, Б.В.Мерлича, Г.Т.Саксеева, А.И.Отрешко, Е.К.Лазаренко, Л.И.Колтуна, Б.И.Среб-родольского, П.В.Цюрупы, Ж.А.Комлевой, А.Б.Бабинца; на труды Г.А.Максимовича, Д.С.Соколова, Н.А.Гвоздецкого, А.Г.Чикишева,

A.Г.Лыкошина, А.А.Ломаева, А.Д.Кучерука, Б.Н.Иванова, Д.П.Бобров-ника в области изучения процессов карстообразования, а также -

- Н.Г.Трупака, В.В.Вахрамеева, Е.П.Калмыкова, А.А.Борисова,

B.В.Именитова, В.В.Толмачева, В.Б.Тетельмина, Э.Я.Кипко,

А.Г.Авершина в вопросах механики и сдвижения горных пород на за-карстованных территориях, тампонажа и технологии инъекционного заполнения карстовых полостей.

Исследования /полевые/ были проведены при участии сотрудников горно-геологического отдела ВНШИсера, а также ряда подрядных организаций /ШИШЕ, УКРГИШТЮ, ИГН АН УССР, ИШММ АН УССР, МГИ, ДГИ, ОИЮ ВНШИсера, Укрбурвод/.

Автор выражает признательность за ценные советы, замечания и дружескую поддержку сотрудникам горно-геологического отдела института ВНШИсера.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

I. КРАТКИЙ 04EFK ГЮЛЭГШЕСКОГО СТРОЕНИЯ ПРдаАРПАТСКОГО СЕР0Н0СН0Г0 БАССЙНА

Предкарпатский сероносный бассейн протягивается с северо-5апада .на юго-восток вдоль узкой полосы сочленения Восточно-Ев-юпейской платформы с Предкарпатским краевым прогибом.

Все промышленные скопления самородной серы Предкарпатья шеют инфильтрационно-метасоматический генезис и связаны с поэд-¡ебаденскими сульфатно-карбонатными отложениями неогена /гипсами, чгасоангцдритами и известняками/. Они однотчиы по геологическо-iy строению, минералогическому парагенезису, условиями и времени |бразования.

Сульфатные породы позднего бадена площадью своего распрост-|анения определяют Предкарпатский сероносный бассейн. Максималь-[ая мощность горизонта 65 м установлена у с.Бартатов. В районах [зовского, Роздольского, Подорожненского и Загайпольского место-юждений его мощность составляет в среднем 25-28 м.

Ратинский горизонт хемогенных пелитоморфных известняков с едной фауной кал бы повторяет контур площади распространения ипсоангидритового горизонта, но развит несколько шире чем суль-атные породы. На контакте серных руд и подстилающих гипсов наб-юдается переходный сульфатно-карбонатный горизонт, обогащенный ;елестином.

Перекрыты сульфатно-карбонатные отложения бадена известко-истыми глинами с прослоями мергелей, известняков, туффитов, есчаников и песков косовской свиты мощностью 20-50 м, а в райо-е Загайполя - более 200 м.

Мощность четвертичных отложений /пески, супеси, суглинки, глины, гравийно-галечниковые отложения/ в среднем составляет 8-12 м, но в долинах более 20 и, достигая 70 м.

В геоструктурном отношении Немировское, Язовское, Любень-ское, Роздольское, Подорожненское и Загайпольское рудные поля Предкарпатского сероносного бассейна отдалены от Внешней зоны прогиба серией сбросов в веде многоступенчатых блоков северозападного простирания.

Основным рудным горизонтом Предкарпатского бассейна являются сероносные известняки, залегающие в кровле, изредка в подошве гипсоангцдритовой толщи. Известняковые серные руды отличаются постоянством минерального состава, в котором доминируют кальцит и сера /90-92 %/. Остальные - это глинистые минералы, гипс, барит, целестин. Среднее содержание серы составляет 23-28 %. Сера обычно представлена в виде рассеянных тонких обособлений в известняках или образует в них мономинеральные скопления в воде вкрапленников, гнезд, прожилков и линзочек. Мощность продуктивной толщи серных руд в среднем составляет 10 м.

По А.Е.Бабинцу район серных месторождений Предкарпатья -это полузакрытая гидрогеологическая структура с распространением пластовых и пластово-трещинных напорных вод. Движение вод происходит с северо-востока на юго-запад /с Росточья в сторону долины Днестра/. Воды гвдрокарбонатные и сульфатные / от 0,3 г/л до 2,4 г/л/. Коэффициент фильтрации известняков меняется от 0,1 м/сут до 700 м/сут. Сульфатные кальциевые и сульфатные натриевые воды часто содержат сероводород. Наиболее высоким содержанием сероводорода /до 350-370 мг/л/ отличаются источники и скважины, расположенные в районе, курорта Немиров.

Первый этап развития карста в Предкарпатье начался завершением позднебаденского времени, когда лагунная часть бассейна была сушей и открытые территории отложившихся гщюов и известняков были изрезаны каррами, а в сильно трещиноватых зонах развивались первые /наиболее древние/ карстовые полости. В эпоху плиоцена, когда формировалась основная современная речная сеть бассейна Днестра и притоков р.Сан и особенно вскрытие Збручем гипсовых отложений /эоплейстоцен/, сформировались магистральные ходы пещер.

В последующие этапы геологического развития карста пещерного типа были периоды обводнения с привносом главным образом вод-номеханического заполнителя вышележащих пород и седьмой террасы

Днестра, а также периоды осушения.

В современный период отчетливо наблюдается антропогенное /техногенное/ воздействие на развитие подземного и особенно поверхностного карста.

2. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ КАРСТА СЕРНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПРВДАРПАТЬЯ

Первое упоминание о карстовых проявлениях в районе Предкар-патья относится к ХУЛ веку, когда в 1670 г. в пределах курорта Шкло произошел мгновенный провал поверхности, в результате которого образовалась воронка диаметром до 120 м и глубиной до 10 м, с местными признаками землетрясения и изливом сероводородных вод.

История изучения карста начиналась с фрагментарных описаний гипсовых пещер Подолии археологами и географами и лишь затем поверхностных карстопроявлений, зачастую случайных наблюдений, проводимых попутно с исследованиями геологического и отчасти географического характера.

Изучением карста занимались в разные годы В.Лозинский, Ю.Полянский, Я.Чижевский, В.Тейссере, Л.Козловский, Л.Савицкий, В.Нехай /до 1945 г./, Б.Н.Иванов, А.Д.Кучерук, Г.А.Максимович, Н.В.Родионов, В.Н.Дублянский, А.А.Ломаев, В.А.Радзиевский, А.Б.Климчук и др. В печати появлялись /1960-1978 гг./ также отдельные работы по карсту серных месторождений /Д.И.Пересунько, Н.В.Родионов, Г.А.Максимович, А.В.Отрешко, М.Г.Перцович,

A.И.Костровская, И.И.Алексенко, Б.В.Мерлич, Д.П.Бобровник,

B.И.Колтун, К.А.Горбунова, В.Ф.Пожунов и др./.

С 1978 г. изучение карста серных месторождений /особенно Язовского/ носит комплексный характер. Стали разрабатываться мероприятия противокарстовой защиты /институт ВНИПИсера/.

3. МЕ10ДЖА ИССЛЕДОВАНИЙ

Для проведения исследований основных условий образования сульфатно-карбонатного карста серных месторождений Предкарпатья, техногенного карста и разработки противокарстовых мероприятий использованы комплексные методы - карстологическая сьемка, данные специального бурения на карст, гидрогеологическое изучение карстовых вод индикаторными методами, геофизические методы /ра-

диоволновой и электрометрический методы; кавернометрия и расхо-дометрия/ и др. Прогноз карстопровальной опасности территории с учетом временного фактора проводился по специальной методике. Для разработки противокарстовых мероприятий использован метод моделирования заполнения карстовых полостей.

Буровые работы /как основной вод изучения для закрытых за-карстованных территорий/ проводились в целях изучения геологического строения территории, его гидрогеологических особенностей, проведения опытных откачек и организации стационарных /режимных/ наблюдений по скважинам.

Проходка скважин с отбором керна карстующихся пород сопро-вовдалась специальным литологическим описанием каждого выделенного слоя с определением линейного и объемного коэффициентов за-карстованности.

В целях детального изучения геологического строения, фильтрационных свойств массива и максимального снижения затрат и времени на сооружение ПФЗ пробуренные скважины являются одновременно разведочными, инъекционными и контрольными. Для оценки карстовой нарушенности трассы проектируемой ПФЗ и территории в целом, по расчетам автора, расстояние между разведочными скважинами должно составлять 30 м.

Метод лабораторного моделирования заполнения карстовых полостей на фильтрационной модели при сооружении ПФЗ на участках активного развития карстового процесса сводился к отысканию эффективных способов подачи закладочного материала в полость через скважины и определению параметров его отложения в условиях напорных подземных потоков.

На фильтрационной модели определялись и расчитывались критерии /средняя скорость потока в поре Но , характеризующий динамический режим вынужденного потока; критерий Яе , являющийся мерой отношения сил вязкости трения и сил инерции; безразмерный коэффициент гидравлического трения Л ; критерий гомохронности Но , характеризующий меру отношения времени процесса ко времени заполнения полости/. Результаты моделирования показали, что хвосты флотации серной руды или кварцевые пески пород вскрыши карьеров могут быть использованы в качестве тампонажного /закладочного/ материала, но при этом требующие химического закрепления.

Для оценки техногенного карста территории использована специальная методика прогноза карстопровальной опасности с учетом

временного фактора, разработанная Н.А.Блоцкиы и автором диссертационной работы.

Началом для разработки методики прогноза карстовых провалов с качественными характеристиками послужили методы прогнозной оценки карстообразования В.Д.Слесарева, И.А.Саваренского, И.А.Печеркина, С.Г.Авершина, В.П.Хоменко, В.В.Толмачева, В.М.Кутепова, Н.А.Миронова, Н.П.Торсуева, А.Н.Трофимова, а также работа Н.А.Блоцкого /1982 г./ по прогнозу карстопровальной опасности территории безотносительно ко времени.

Преимущество используемой методики по отношению к ранее разработанным методам состоит в том, что для прогноза исследовалась вся информация на площади, обладающая т.н. геологической информативностью.

Как известно, развитие карстового процесса /в том числе и техногенного/ в пространстве и времени обусловлено влиянием множества факторов. Поэтоьу при разработке используемой методики они были сгруппированы по геологическим, физико-географическим или техногенным признакам. И в первую очередь были ввделены процессы, ускоряющие карстообразование в зависимости от типа карста и местных условий. Использоваться должны результаты исследований, которые характеризуют данную территорию не только по площади, но и по мощности толщи.

Применение методики прогноза карстопровальной опасности с учетом временного фактора /на примере работ в Яворовском карстовом районе/ позволяет оконтурить опасные и безопасные в провальном отношении площади, в течение определенного промежутка времени /9 лет/. Математической основой методики является теорема Бейеса, эмпирической - фактический материал всего комплекса геолого-геофизических, гвдрогеологических, карстологических и гед-рогеохимических исследований и др., результаты которых являются основой настоящей работы. ■

Применение формулы Бейеса предполагает оценку как информативности, так и в целом - принадлежности обьекта типу территории опасной или безопасной в провальном отношении. Принцип введения фактора времени в прогнозную оценку обеспечивается путем сравнения опорных обьектов по плотности поверхностных карстопроявлений. за определенный срок /9 лет, геологическая и карстологическая информация за 1978-1986 гг./ и внесения этих данных в расчетную формулу Бейесовского классификатора.

После изучения всех имеющихся материалов было отобрано 37

наиболее информативных признаков, условно подразделенных на 6 групп. Группа А - поверхностно-антропогеновая /приуроченность к пойме реки; наличие жилых, промышленных зданий с трещинами; наличие травяного покрова, посевов/. Группа Б - гадрогеологическая /коэффициент водопроводимости - 1500-2500 м^/сут; расположение участка в зоне инфильтрации поверхностных вод; общая минерализация подземных вод свыше 3 г/л; общая минерализация 0,2-0,3 г/л/. Группа В - литолого-фациальная /основная, наиболее информативная, мощность гипсоанпщритовой толщи до 10 м; мощность гипсоангццри-товой толщи свыше 20 м; мощность ратинских известняков свыше 2 м; гипс кристаллический; гипсоангидрит трещиноватый /кавернозный/; провал бурового инструмента в кровле гипсоангидритовой толщи; провал бурового инструмента в подошве гипсоангадритовой толщи; суммарный провал более I м; одиночная карстовая полость с заполнителем; наличие нескольких открытых полостей; наличие полостей с заполнителем и без него; мощность четвертичных отложений до 5 м; мощность четвертичных отложений более 10 м; мощность позд-небаденских и раннесарматских глин до 10 м; мощность позднеба-денских и раннесарматских глин более 20 м; наличие свежих карстовых воронок за девять последних лет; косовские песчаники мощностью менее 5 м; четвертичные отложения - пески и супеси; обьем-ный коэффициент закарстованности по керну буровых скважин более 10 %', четвертичные суглинки/. Группа Г - тектоническая /перекли-наль /крыло/ структуры по раннему бадену; неотектоническое нарушение; пересечение зон нарушений; амплитуда нарушений свыше 5 м/. Группа Д - геофизическая /значение изоом на карте р к более 30 омм; углы наклона Д<}<*-/ асимптотической ветви 30° и менее; значение коэффициента закарстованности по ВЭЗ, ХБЗ 0,5-0,75/. Группа Е - геоморфологическая /относительное превышение рельефа земной поверхности более 5 м/.

Согласно разработанной методике, для каждого квадрата /ячейки/, на которые разбивалась карта /схема/, рассчитывались суммарные информативности / I ¿¡+.5 61 . наличие или отсутствие признака/.

Обработка геологической информации по расчету информативности признаков производилась с помощью ЭВМ.

Для прогнозных построений с применением формулы Бейеса вся имеющаяся информация представлялась в ввде площадных построений /карт/ в одном масштабе, с которых по квадратной сетке снимались показатели геологических признаков в табличной форме. Карты от-

сажают всю геологическую информацию перечисленных 37 поисковых признаков. Затем уже по данным машинной обработки строилась прогнозная карта карстопровальной опасности территории за период девять лет. Значения вероятности образования карстового провала давались в долях единиц, что соответствует проценту вероятности. Это означает, что на данной площади с такой-то долей вероятности в течение 9 лет может возникнуть карстовый провал. Карта может ' быть представлена в виде изолиний и зон, 3 основных элементов: зона опасности /значения выше 0,55/, безопасная зона /менее 0,45/ и промежуточная зона /0,45-0,55/.

Данная карта служит основным документом при проектировании строительства, а.также для всей трассы проектируемой ПФЗ. Использование имеющейся геологической информации, характеризующей развитие карстового процесса, позволяет рекомендовать геологический мониторинг, заключающийся в сборе, анализе и обработке этой информации; систематизации карстопровальных явлений за период наблюдений; прогнозном расчете провальной опасности с учетом динамики процесса; разработке противокарстовых мероприятий; контроле динамики карстопровального процесса и эффективности противокарстовых мероприятий; управлении влияния человеческой деятельности на геологическую среду при освоении серных месторождений, со снижением темпов и степени развития техногенного карста.

4. ОСНОВНЫЕ ФОРШ ПРОЯВЛЕНИЯ КАРСТА

На территории Предкарпатского сероносного бассейна /Подоль-ско-Буковинской карстовой области/ ввделяются разнообразные формы подземного и поверхностного карста.

К типу поверхностных форм относятся карры, воронки, котловины и поноры, приуроченные к зонам поверхностной низходящей циркуляции вод, также другие местные формы.

Карры развиты в'районах распространения обнаженных известняков бадена в Толтрах, гипсов правобережья Днестра у с.Завалье /левый берег р.Збруч/, вблизи старых гипсовых карьеров. На серных месторождениях только в гипсах Роздола обнаружены мелкие карры.

Поверхностные карстовые проявления непосредственно на территории серных месторождений подразделяются на две группы: сравнительно простые формы - воронки и более сложные формы - карсто-во-эрозионные впадины /котловины/. На отдельных участках карсто-

вые воронки объединены общим понижением в карстовые поля. Обычно обилие карстовых форм обнаруживается в долинах рек, и вообще в тех местах, где кровля подземных карстовых полостей обрушена, т.е. там, где мощность перекрывающих песчаных отложений меньше 60-70 м. Мелкие воронки /диаметром до 8-12 м и глубиной 2-3 м/ встречались лишь на территориях Роздольского, Любеньского и Не-ыировского месторождений,, где мощность перекрывающих отложений менее 30 м. И совсем редко на самом Язовскоы месторождении. Кроме карстовых воронок, другие формы на самих месторождениях встречены не были.

За пределами разведанных серных месторождений на наиболее закарстованных участках /закарстованные гипсы/ плотность воронок достигает 100-400 воронок.на I км^ /около сс. Щирец, Городенко, Униж, Чортковец, Окно/. Диаметры воронок здесь достигают 40-60 м, глубиной 15-20 м. На дне воронок нередко обнаруживаются поноры и зияющие трещины. Некоторые воронки заполнены водой.

Наибольшая поверхностная закарстованность Предкарпатского сероносного бассейна отмечается на Язовском и Любеньском месторождениях серы.

На Язовском месторождении на площади 85 км^ на 1.01.1989 г. /наблюдения с 1977 г./ выявлены 943 карстовых воронки разного возраста. Наибольшее количество воронок /83 %/ имеют диаметры от 3 м до 20 м. Карстовые формы распространены очень неравномерно. Так, в междуречье р.Шкло-р.Терешка плотность карстовых воронок на I км^ достигает более 100 штук. В плане карстовые воронки преимущественно округлые, форма в основном чашеобразная и блюд-цеобразная. Количество новейших' провалов за период 1978-1988 годы составило 259. Наибольшее количество воронок /64,1 %/ - это воронки диаметром до 5 м. В среднем за этот период образовывалось 24 воронки в год.

На Любеньском месторождении на площади 64 км*" на конец 1982 г. было выявлено 841 карстовых воронок, котловин, озер и других единичных карстовых форм. Максимальная плотность /более 50 штук на I кмV отмечается к югу от известняковых карьеров. Основная масса воронок имеет диаметры от 10 м до 75 м.

К подземному типу карста относятся закарстованные трещины, каверны, карстовые колодцы и шахты, пещеры и слепые карстовые полости. Непосредственно на серных месторождениях подземные формы карста резко преобладают над поверхностными. На таких как Гримновское, Загайпольское и Шевченковское на поверхности даже

не обнаружены карстовые воронки.

В осерненных известняках встречены пустоты от десятых долей миллиметров до 11,6 м по высоте /чаще трещины и каналы/, но чаще 1,0-2,5 м на глубине 36-104 м. Пустоты, каверны размером до 5-6 см обычно ввдны в стенках карьеров, в штуфах и керне пробуренных скважин. Форма пустот разнообразная, главным образом неправильная, изометрическая, реже вытянутая, иногда близко к округлой и брусковидной. Поверхность главной массы пустот покрыта очень тонкой корочкой более светлого кальцита. На стенках некоторых крупных каверн обнаружены кристаллы кальцита, барита, целестина и серы размером до 5-10 см. Закарстованность серно-кальцитовых руд Предкарпатья составляет 1,5-10,0 %.

По данным бурения в гипсоангидритах на серных месторождениях вскрыты в основном незаполненные карстовые полости высотой от 0,10 м до 11,0 м, большей частью они составляют 1-5 м. Наиболее закарстованы гипсоангидриты на участках, примыкающих к древним долинам рек. Закарстованность гипсоангидритов территории Яворов-ского ПО "Сера" составляет в среднем 7 %. За контуром месторождений, как правило, карстовые полости в гипсоангидритах заполнены несцементированными обломками и бесструктурной смесью покрывающих залежи пород. Мощность заполнителя обычно составляет 2-4 м, реже до 10 м.

Кроме Роздольского, провальными и обвальными формами карста поражены юго-восточные части главных залежей Немировского, Лю-беньского и Жидачевского месторождений серы.

Совместное же присутствие известняков /осерненных и неосер-ненных/ с гипсоангидритами в общем геологическом разрезе серных месторождений Предкарпатья, при едином карстовом'процессе и определяют отличительный тип карста - сульфатно-карбонатный.

5. ГЕОДШАМША КАРСТОВОГО ПРОЦЕССА СУЛЬФАТНО-КАРБОНАТНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ НЕЮ ГЕНА ПРЕДОПЛАТЫ

Помимо необходимых 4-х /по Д.С.Соколову/ условий для развития карста важно знать и сам механизм его образования.

Механизм карстообразования с позиций физико-химической механики, предложенный автором и являющийся новым в теории карсто-ведения, сводится к тому, что наличие дефектов, дислокаций мономинеральных карстующихся пород в присутствии поверхностно-активных сред /агрессивных природных вод/ в динамически напряженных

тектонических зонах, ведет к разрушению их /горных пород/ по этим зонам и в конечном счете к их диспергированию, в результате чего увеличивается удельная поверхность зерен, что ведет к увеличению скорости растворения, а это в свою очередь к активизации физико-химических процессов и возникновению карстового процесса.

Особенностью сульфатно-карбонатного карста Предкарпатского сероносного бассейна является гидравлическая взаимосвязь лито-тамниевого и ратинского водоносных горизонтов при наличии гипсо-ангидритов в литологическом разрезе между ними. Следует учесть, что река Днестр и ее притоки врезаны своими руслами в гипсы, а также частое изменение уровня подземных вод и увеличение агрессивности вод /частые дожди/. Все это, а также неотектонические движения с амплитудой до 100 м ускоряют карстовый процесс района.

Отличительной особенностью растворения известняков сульфатно-карбонатных отложений неогена является то, что на усиление карстового процесса в них играет присутствующий в подземных водах сероводород. И, как стало известно из исследований, растворимость известняков в присутствии агрессивного сероводорода намного выше по сравнению со слабоминерализованными подземными водами.

Гидродинамика и гидрохимия подземных и поверхнбстных вод в зонах развития закарстованных сульфатно-карбонатных отложений Предкарпатья зависит от величины потерь поверхностного стока, количества атмосферных осадков, откачки вод из карьера /на Язове, например, откачивается до 100 тыс.м3 в сутки/, агрессивности подземных вод, водообмена поверхностных и подземных вод. Если сток является функцией осадков в обычных условиях, то при наличии поверхностного и глубинного карста эта связь нарушена. Поверхностный сток в таких случаях зарегулирован карстом. В результате откачки вод из карьера на Язовском месторождении /понижение вод достигло более 90 м/ вокруг карьера образовалась депрессионная воронка размером 7,5 х 12,2 км овальной формы и вытянутой по азимуту 318°, т.е. в направлении основных тектонических нарушений Предкарпатского бассейна. А это расширяет область проявлений техногенного карста. Состав подземных вод изменился от сульфат-но-гадрокарбонатного до сульфатного. Значения произведений активности -б^а-Са*- а S0/, подземных вод ратинского водоносного горизонта составляют 4,5647-6,4679, произведений активности ~C(j,a Ca.-аС03 литотамниевого водоносного горизонта - 8,313512,0859, произведений активности—¿^.a-Ca^aSDj,- 4,4785-8,1781.

Движение подземных вод на Язовском месторождении происходит с севера к карьеру. Скорость движения вод составляет в среднем 59,5 м/сут. В результате эксплуатации северной части Язовского месторождения методом ПВС отчетливо проявилось явление самопроизвольной гидроизоляции. Формирование слабопроницаемого барьера обуславливает малое влияние рудника ПВС на водоприток в карьер.

Развитие сульфатно-карбонатного карста с проявлениями самородной серы /как особого типа карста/ - это исключительная привилегия серных месторождений Предкарпатья. Отмеченная закономерность развития сульфатно-карбонатного карста, наряду с выявленными прогнозными и поисковыми критериями /литологическими, стратиграфическими и структурно-тектоническими/ является, по мнению автора, важным подспорьем в поисках промышленных скоплений самородной серы.

Скорость поверхностного карстообразования возросла в результате техногенной деятельности во много раз. Для Яворовского карстового района соотношение между скоростями течения естественных и техногенных карстопровальных процессов составляет 1:9,8.

6. ГШ ЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ И ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОТШОКАРСТОВЫХ МЕРОПРШГИЙ ПРИ ОСВОЕНИИ СЕРНЫХ МЕСТОРОВДЕНШ

Сооружение противофильтрационной заЕесы /ШЗ/ рассматривается как главный фактор противокарстовых мероприятий на разрабатываемых месторождениях. Восстановление, с внешней стороны ПФЗ первоначального гидродинамического режима подземных вод замедлит процесс антропогенного карстообразования и сократит приток подземных вод в выработанное пространство карьеров.

Мероприятия по подготовке и сооружению ®3 в закарстованных породах в первую очередь должны решаться комплексно. Они включают в себя следующие, выполняемые в строгой последовательности и очередности этапы: проведение детальных геолого-разведочных работ по трассе ПФЗ; проведение опытно-промьшленных работ по отработке технологии закладки и тампонажа подземных карстовых полостей; расчитаны по данным опытных работ параметры ПФЗ /ширина завесы, глубина скважин, количество скважин, количество их рядов, расстояние между скважинами, конструкция скважин/; выбрано оборудование и произведен подсчет количества тампонажного материала. То есть, до начала сооружения ПФЗ должно быть проведено достаток-

ное геологическое обоснование противокарстовых мероприятий, а в процессе ПФЗ уже должно вестись ее геологическое обеспечение как один из этапов соблюдения геологического мониторинга /контроль^ ¡^управление/.

Опытно-промышленные работы по отработке технологии закладки и тампонажа подземных карстовых полостей с помощью иньекционных скважин при участии автора проводились на территории Яворовского ПО "Сера" в 1978-1983 гг. /укрепление дамбы проектируемого хво-стохранилища в районе с.Старичи и сооружение первой очереди про-тивофильтрационной завесы в пойме р.Шкло/.

В районе с.Старичи на площадке размером 40 х 60 м с целью отработки технологии закладочных и тампонажных работ были пробурены 32 иньекционкь'е скважины глубиной 53-55 м.

При строительстве ПФЗ закарстованные сульфатно-карбонатные отложения неогена были вс.срыты на глубине 45-50 м при мощности 40-42 м. Для тампонажа карстовых полостей были использованы хвосты флотации серных руд с последующим их химическим закреплением концентрированной серной кислотой. После сооружения ПФЗ /протяженность 400 м, ширина 20 м и глубина НО м/ на этом.опытном участке коэффициент фильтрации закарстованных гипсоангвдритов снизился до 0,25 м/сут, тогда как до начала сооружения завесы он составлял 700 м/сут. Это говорит о достаточной ее эффективности на опытном участке.

С учетом порченных результатов проектируется ПФЗ на Азовском месторовдении длиной 11,3 км и шириной 100 м. С участием автора разработан пре<2/.т бурения трех рядов иньекционных скважин с расстоянием между рядами 50 м, а между скважинами в реду -20 м. Предполагается, что сооружение ПФЗ с закладкой и тампонажем карстовых полостей приведет к уменьшению водопритока в карьер на 50 %. При этом условии экономический эффект от строительства ПФЗ составит 3,5 млн.руб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Комплексные исследования сульфатно-карбонатного карста Нредкарпатскогс сероносного бассейна позволили сделать несколько важных в научно-теоретическом отношении выводов о закономерностях его развития, представляющие научную новизну.

I. Развитие сульфатно-карбонатного карста /как особого типа/ на серных месторождениях является, по предложению автора,

новым дополнительным признаком к литологическому, стратиграфическому, структурно-тектоническому и фациально-палеогеографическому прогнозным и поисковым критериям для выявления промышленных скоплений самородной серы Предкарпатья.

2. Объяснение механизма карстообразования с позиций физико-химической механики, представляющееся новым в теории карстоведе-ния, и сводится к тому, что наличие дефектов, дислокаций и агрессивных вод в мономинеральных карстующихся породах в динамически напряженных тектонических зонах ведет к разрушению пород по этим зонам и далее - диспергированию под действием многих физико-химических процессов. Изложенный материал, по мнению автора, составляет основу физико-химической механики карстообразования.

3. Отличительной особенностью растворения известняков сульфатно-карбонатных отложений неогена Предкарпатских серных месторождений является то, что на усиление карстового процесса в них играет присутствующий в подземных водах сероводород. Как стало известно из исследований, растворимость известняков в присутст- ■ вии агрессивного сероводорода намного выше по сравнению со слабоминерализованными подземными водами. И сделан вывод, что сероводородные источники Предкарпатья - преимущественно карстового происхождения.

4. Оценку развития техногенного карста необходимо вести на протяжении всего периода освоения месторождения, конечным результатом которой является разработка противокарстовых мероприятий на основе их геологического обоснования и обеспечения, в основе которых лежит геологический мониторинг /мероприятия по контролю за сооружением и функционированием ПФЗ во времени, а также проведение мероприятий по предотвращению и снижению темпов развития карста района/.

5. Применение новой геотехнологической схемы при проведении противокарстовых мероприятий на Яворовском ПО "Сера" по закладке и тампонажу карстовых полостей отходами серного производства через инъекционные скважины с последующим их химическим закреплением концентрированной серной кислотой, позволили значительно сократить использование цемента, а также сроки сооружения самой завесы. Проведенные опытно-промышленные работы являются обоснованием нового геотехнологического способа борьбы с карстом. Разработанная технология значительно экономичнее по сравнению с применением цементно-глинистых растворов. И в этом ее практическая ценность.

В процессе работ по сооружении противофильтрационной завесы должно вестись геологическое обеспечение этих работ как один из этапов соблюдения геологического мониторинга на осваиваемой месторождении.

Геологический мониторинг - это функция контроля и управления человеческой деятельности и ее последствий на геологическую и окружающую среду.

СШЕОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Блоцкий H.A., Ковшиков H.H. Проблемы изучения и направления в разработке мер борьбы с карстом на территории Яворовского горно-химического завода // Закономерности образования и размещения месторождений серы как теоретическая основа их прогноза и поисков. - Киев: Наукова думка, 1980. - С.143-146.

2. Тихомиров В.Г., Ковшиков H.H. Исследование способов заполнения карстовых полостей пульпой на фильтрационной модели // Технология производства горных работ на серных месторождениях. -Н.: НИИГЭХИМ, 1980. - С. 13-19.

3. Ковшиков H.H., Тихомиров В.Г. Моделирование процесса тампонажа в условиях закарстованных пород // Производство горных работ на серных месторождениях. - М.: НИИГЭХИМ, 1982. -C.35-4I.

4. Тихомиров В.Г., Ковшиков H.H. Опыт тампонирования основания дамбы рудного хвостохранилица в закарстованных породах // Производство горны* оабот на серных месторождениях. - М.: НИИГЭХИМ, 1982. - С.>41-49.

5. Ковшиков H.H., Тихомиров В.Г. Тампонажный материал из отходов серного производства // Добыча самородной серы. - М.: НИИГЭХИМ, 1963. - С.129-136.

6. Филенко Г.Д., Тихомиров В.Г., Ковшиков H.H. Определение рациональных расстояний между скважинами для изучения распространения карстовых провалов при строительстве противофильтрационной завесы на Язовском месторождении серы // Добыча серы. - М.: НИИГЭХИМ, 1965." - С.9-16.

7. Ковшиков H.H. Механизм карстообразования с позиций физико-химической механики. Деп. в ШИИГЭХИМ, » 142-ХП88.

8. Ковшиков Н.Н. О заполнителе карстовых полостей серных месторождений Предкарпатья. Деп. в СНИИГЭХИМ, № 139-ХП88.

9. Ковшиков H.H. О связи закономерностей развития сульфатно-карбонатного карста с прогнозом и поиском серных месторождений

Предкарпатья. Деп. в ОНИИГЭХИМ, № 143-ХП88.

10. Блоцкий H.A., Ковшиков H.H. Комплексная оценка карсто-провальной опасности при жилом и промышленном строительстве // Охрана недр и геологической среды при эксплуатации месторождений самородной серы. - М.: НИИГЭХИМ, 1989. - С.137-144.

Подписано в печать 5.10.90.

Формат бумаги 60 х 84 Т/16. Бумага типографская К1. Печать офсетная. Обьем издания в усл. печ.листах 0,93. Усл.краско-отт. 0,93. Тирах 100. Зак.1244. Бесплатно

УЭП УШИПП, г.Львов, ул.Артема, 4