logo
Главная История Структура Разработки Лаборатории Контакты

Лаборатория геологии техногенных процессов
Cотрудники Список публикаций Места работ
Максимович Н.Г., Катаев В.Н., Блинов С.М. Особенности техногенного воздействия на карстовые воды Кизеловского угольного бассейна // Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов: Материалы науч.-практ. конф.- Курск, 1995.-С.124-127.

Особенности техногенного воздействия на карстовые воды Кизеловского угольного бассейна

Н. Г. Максимович, В. Н. Катаев, С. М. Блинов

Разработка угольных месторождений на закарстованных территориях оказывает существенное воздействие на подземные воды. В Кизеловском угольном бассейне в силу структурно-тектонических и геохимических условий разработка месторождения привела к возникновению принципиально новых гидрогеологических условий, влияющих на другие элементы геологической среды.
Угленосная формация визейского яруса нижнего карбона Кизеловского угольного бассейна характеризуется высоким содержанием сульфидной и органической серы, интенсивной закарстованностью и обводненностью вышележащих известняков. Из 18 угольных шахт, 8 имеют притоки карстовых вод свыше 1000 м3/час. В случае внезапных прорывов они могут достигать 3200 м3/час. Воды имеют кислую реакцию среды, в связи с этим одной из проблем в угольном бассейне является утилизация шахтных вод, которые часто сбрасываются в карстовые реки или суходолы, что существенно меняет гидрохимическую и гидродинамическую ситуацию.
Современная структура карстовых массивов закладывалась в олигоцене-миоцене в результате деятельности водных потоков, направленных по простиранию трещиноватых известняков к глубоко врезанным речным долинам, что и обусловило их закарстованность до глубины 1000–1100 м.
Развитие массивов привело к образованию гидродинамически связанной карстовой системы, объединяющей следующие элементы: 1) поверхностные магистральные водотоки (транзитные карстовые реки); 2) притоки магистральных дрен, приуроченные к карстово-эрозионным логам (малые реки с подземно-поверхностным потоком); 3) подземные водотоки, локализованные вдоль литологических границ и тектонических дизъюнктивов. Подземная химическая денудация (7–17 мкм/год), воздействие органических кислот таежной биомассы и углекислоты породы способствовали формированию в карбонатных толщах гидрокарбонатно-кальциевых вод с минерализацией 0,06–1,5 г/л и нейтральной средой (рН=7,3–7,5).
Карст региона относится к голому и покрытому типам, что обуславливает зависимость режима карстовых вод зоны активной циркуляции от режима атмосферных осадков.
Режим поверхностных водотоков зависит в значительной степени от режима атмосферных осадков. В полной мере это относится к транзитным магистральным водотокам, поскольку сформировавшийся в их долинах аллювий изолирует воды от трещиноватого цоколя. Валунно-галечниковый аллювий с песчано-глинистым заполнителем и слоями песчанистой глины (до 4,0 м) в кровле и подошве является надежным экраном. Магистральные реки в условиях искусственного понижения уровня подземных вод оказываются подвешенными, изолированными от подземных вод. Подземные трещинно-карстовые воды в долинах магистральных рек фиксируются на глубинах 28–30 м от поверхности.
Карстовые притоки магистральных дрен со смешанным атмосферным и подземным питанием отличаются сменой поверхностного стока на подземный и наоборот, разгрузкой в виде источников в крупные карстовые реки, являются важным звеном в гидродинамической системе карстового массива.
Разработка каменного угля ведется с конца 18 в. В настоящее время, в пределах шахтных полей и сопредельных территорий сформировалась и частично продолжает формироваться природно-техногенная система, характеризующаяся специфической гидродинамикой, гидрохимией и минералообразованием. В зоне влияния шахтных полей, где водопонижение в результате откачек шахтных вод достигает 40–50 м уровень карстовых вод не является статическим. Под влиянием откачек он понижается из года в год, но весной и осенью в периоды возникновения динамических запасов повышается на 25–50 м.
Химический состав шахтных вод зависит от содержания в угленосной формации серы, карбонатов и рассеянных элементов. При содержании серы в углях более 4 % воды пpиобpетают кислую pеакцию (pH=2–3) и сульфатно-железисто-алюминиевый, натриево-кальциевый состав с минерализацией 2,5–19 г/л.
В ходе эксплуатации месторождения, в связи с увеличением водопритоков, воздухообмена и объема пород, вовлеченных в геохимические процессы, минерализация шахтных вод может возрастать до 35 г/л. В шахтной воде по сравнению с природной на несколько порядков повышается содержание свинца, меди, цинка, серебра, никеля, кобальта.
Некоторые малые реки и суходолы (например р. Губашка, р. Шумиха, р. Ладейный Лог, р. Каменка) используются для сброса шахтных вод. Они как бы включаются в технологическую цепочку горнодобывающего производства и становятся источником загрязнения подземных и поверхностных вод.
Малые реки до впадения в них шахтных вод имеют гидрокарбонатно-кальциево-натриевую гидрохимическую фацию, минерализацию 90–150 мг/л и слабокислую реакцию среды (рН=5,8). Ниже по течению стока шахтных вод они приобретают сульфатно-железо-алюминиевый состав при минерализации от 640 до 6000 мг/л. Содержание сульфатов составляет от 1000 до 3700, железа — от 70 до 900, алюминия — от 11 до 160 мг/л при рН 2,5–2,9.
Сброс шахтных вод в малые реки за последние годы сильно изменил их естественный режим. Взаимодействие кислых шахтных вод с карбонатными породами ведет к увеличению водородного показателя и заполнению карстовых полостей железосодержащими осадками, в составе которых присутствует до 46 % гетита. Это сопровождается уменьшением подземного и увеличением поверхностного стока.
В зависимости от степени заполнения карстовых полостей осадком, которая определяется продолжительностью, составом и объемом сброса, размерами пустот и протяженностью участка сброса, реки имеют различное соотношение поверхностного и подземного стока. Например, подрусловые полости рек Шумихи и Губашки в настоящее время заполнены осадком и они имеют практически только поверхностный сток, в то время как в естественных условиях они были суходолами. Река Каменка, находясь на ранней стадии заполнения карстовых полостей, имеет подземный сток на значительном протяжении. Химический состав воды в роднике, разгружающегося в ее устье, говорит о процессах самоочищения кислых шахтных вод при фильтрации через полости и трещины в карбонатных породах. При значительных размерах подрусловых полостей, как например в Ладейном Логу, сбрасываемый в них поток транзитом проходит через них мало меняя химический состав.
Воды магистральных рек в районе стока и разгрузки шахтных вод меняют химический состав. Вода имеет кислую среду (рН = 2,3–3,5), сульфатно-кальциево-магниевый состав при содержании сульфатов до 270 мг/л и минерализацию 400–500 мг/л.
Интенсивно загрязняются и донные осадки рек на участках сброса шахтных вод. На их загрязнение указывает изменение состава водных вытяжек с гидрокарбонатно-кальциевого на сульфатно-кальциевый, увеличение содержание водорастворимых солей от 300 мг/л до 9700 мг/л. Среда со слабокислой (рН=5,5) меняется на сильнокислую (рН=2,5–4,0). Донные осадки становятся источником вторичного загрязнения.
Для снижения интенсивности загрязнения подземных и поверхностных вод в настоящее время ведутся исследовательские работы по применению искусственных геохимических барьеров.
Таким образом, сброс кислых шахтных вод в карстовые полости оказывает существенное негативное влияние на геологическую среду, которое заключается в загрязнении подземных и поверхностных вод сульфатами, железом, алюминием, ионами водорода, тяжелыми металлами. Меняется гидродинамика района, уничтожаются уникальные карстовые ландшафты. Выпадающие из шахтных вод осадки в долинах рек и карстовых полостях являются источником вторичного загрязнения вод.

назад