Геоэкологические проблемы разработки карьеров полезных ископаемых

       Ускоренная  аккумуляция вещества в районах  добычи полезных ископаемых связана  как с процессами размыва, так  и с высокой мутностью сбрасываемых технологических вод. Осадконакопление идет как в стоячих водоемах на дне брошенных карьеров, так и  в русле и на пойме рек. Кроме  того, продукты смыва с отвалов  в виде шлейфа распространяются на прилегающие к ним земли.

       В затопленных карьерах скорость аккумуляции  очень высока. Так, на открытых разработках в бассейне ручья Бивер-Крик, в штате Кентукки (США), мощность донных осадков в таких водоемах варьировала от десятков сантиметров до 1 м. Седиментация осуществлялась в течение 4-6 лет.

       О масштабах ускоренной аккумуляции  на дне долин можно судить по такому примеру. Между 1849 и 1914 гг. на западном склоне хребта Сьерра-Невада велась интенсивная гидравлическая разработка россыпей, и в р.Сакраменто и ее притоки было сброшено более 1,13 км³ наносов. Это вызвало ускоренную аккумуляцию на днищах долин, включая низовья р.Сакраменто. Пострадал и залив Сан-Франциско, площадь которого за 120 лет сократилась с 1233 до 1096 км , т.е. на 11%. Правда, в заполнении мелководий залива наносами виновата не только добыча золота в его бассейне, но и бесконтрольная распашка земель. Оба мероприятия были причиной поступления в залив обломочного материала объемом примерно в 1,7 км³ .

       Оврaжная эрозия. Она проявляется при сбросе шахтных, карьерных и бытовых вод в районе горнодобывающих предприятий. Оврагообразование широко распространено и обычно имеет значительные скорости порядка 10-20 м в год и более.

       Оползни. Это наиболее опасная и широко распространенная форма разрушения откосов выемок и уступов отвалов. В практике горных работ известны оползни объемом в сотни тысяч и десятки миллионов кубических метров. Иногда оползни перед отвалами перекрывали площади, в десятки раз превышающие занятые самими отвалами. Оползанию нередко предшествуют другие явления, например, оплывание или пластическое течение подстилающих пород. Нередко оползание идет одновременно с оплыванием. В этом случае имеют место сложные оползни - оползни оплывания, пластического течения и др.

       По  объему сползших масс различают оползни  мелкие (сотни-тысячи м³), средние (десятки тысяч м³), крупные (сотни тысяч м³) и очень крупные (миллионы м³). Помимо оползней на участках выемки и отсыпки горных масс развивается ряд других процессов.

       Обрушения и обвалы. К ним принадлежат быстрые смещения и падения блоков и пачек пород, оторвавшихся от уступов или бортов карьера. Обрушения нередко начинаются с оскользней по подрезанным откосам карьера и поверхностям ослабления.

       Осыпи. Осыпание происходит в форме смещения и падения мелких обломков и зерен пород, отделившихся в результате выветривания. Осыпи, вызванные или усиленные действием вибрации, называется осовами.

       Оплывины. В условиях значительного обводнения в бортах карьеров, сложенных фильтрационно неустойчивыми породами, наблюдается их оплывание. Оно особенно интенсивно в период вскрытия и в начале разработки месторождения, когда дренирующее действие карьера и водопонизительных устройств еще не проявилось в полной мере. Оплывание - одно из наиболее распространенных и важных видов фильтрационного разрушения откосов из несцементированных и обводненных пород.

       Просадки. Это явление выражается в виде вертикального опускания прибортовых участков высокопористых рыхлых горных масс без образования сплошной поверхности скольжения.

       Уплотнение пород. Консолидация пород бортовых массивов происходит за счет снятия эффекта гидростатического взвешивания и устранения действия фильтрационного давления при осушении обводненных месторождений полезных ископаемых. Уплотнение пород отвалов под действием их собственного веса сопровождается уменьшением их пористости и влажности.

       Сдвижение пород в массиве. Деформации пород, залегающих над выработками, носят различный характер - от плавных, без нарушения сплошности пород, до их полной дезинтеграции. При глубине залегания разрабатываемых пластов меньше 30-40 кратной величины их мощности просадка налегающих пород осуществляется весьма интенсивно.

       Возникающие провалы могут быть подразделены на пять типов:

1) мульдообразные - при разработке пластовых залежей  средней (от 1,5 до 3 м) и большой  (более 3 м) мощности, горизонтального  и волнистого залегания или  пологого падения (до 27°). Мульда  сдвижения горных пород находится  в зоне прогиба;

2) мульдообразные  террасированные - при разработке  залежей пологого или наклонного (от 27^О до 45°) падения. Мульда сдвижения горных пород находится в зонах прогибов или обрушения; 3) каньонообразные - при разработке пластовых залежей средней и большой мощности, крутого падения (более 45°), с обрушением вмещающих пород. Мульда сдвижения находится в зоне обрушения;

4) каньонообразные  с останцами - при разработке  сближенных пластов с крепкими  вмещающими метаморфическими породами, стойкими к выветриванию;

5) кольцевые  - при разработке крутопадающих  штокообразных залежей. Мульда  сдвижения находится в зоне  обрушения.

       Оседание поверхности с образованием мульд и разрывов. Это происходит при избыточном расходовании подземных вод на орошение. Аналогичная картина имеет место при водопонижении в районах разработки месторождений твердых полезных ископаемых, а также на площадях, где внутрипластовое давление снижается из-за добычи нефти и газа. Мульды оседания часто заболачиваются или даже заполняются водой. Оседание на 2-3 м вызывает снижение урожайности сельскохозяйственных культур на 10%, на 5-6 м - на 50%. При просадках более чем на 8 м земельные угодья разрушаются полностью.

       Образование провалов. Активизация процессов выщелачивания и снятие сил гидростатического взвешивания в зонах депрессионных воронок иногда приводит к формированию провалов. Так, в Казахстане, в предгорьях Каратау, на окраине г. Кентау в 1978 г. произошел карстовый провал в девонских известняках. Он сопровождался сотрясением земли, гулом и образованием грибовидного столба пыли. Площадь устья провала составила 1200 м² и видимая глубина достигла 50-55 м. Для засыпки провала потребовалось около 30 тыс. м³ пустой породы. Описанное явление было вызвано нарушением естественного режима гидрогеологических и инженерно-геологических условий вследствие многолетней откачки воды из действующего рудника полиметаллического комбината и понижения уровня подземных вод на глубину 200 м. Вокруг месторождения с охватом всей территории города образовалась огромная депрессионная воронка площадью 1000 км.

       По-видимому, аналогичные явления неоднократно имели место в районе Йоханнесбурга (ЮАР), где ведется подземная добыча рудного золота. Здесь в результате понижения уровня подземных вод в мощной (до 1000 м) доломитово-известняковой свите Трансвааль неоднократно возникали провальные воронки диаметром свыше 50 м и глубиной более 30 м и ряд более мелких. В декабре 1962 г. внезапно возник крупный провал под заводом, располагавшимся вблизи ствола одной из шахт. Завод полностью был поглощен провалом, при этом погибло 29 человек. В августе 1964 г. при сходных обстоятельствах провал поглотил дом вместе с пятью жильцами.

       Горные удары и стреляние обломками пород. Этот вид экзодинамических процессов как и ряд других рассматриваемых ниже осуществляются за счет реализации природных источников энергии, тогда как деятельность человека служит лишь своего рода спусковым крючком для них. Горные удары и стреляние обломками происходят в результате мгновенной разгрузки упругих деформаций высокопрочных скальных пород в местах максимальной концентрации напряжений и их перераспределении в связи с проходкой выработок обычно на глубинах свыше 200 м.

       Внезапные выбросы пород, воды, газов. Наиболее часто это имеет место в местах пересечения выработками тектонических нарушений на глубинах свыше 100 м.

       Прорывы вод и плывунов. Эти процессы возникают внезапно при вскрытии напорных водоносных горизонтов или плывунных пород, при малой мощности водоупоров, при наличии разломов, трещин, пустот и больших гидравлических градиентов. В местах прорывов затапливаются выработки, могут исчезнуть поверхностные водоемы и образоваться провалы.

       Суффозионно-карстовое  разрушение. Такого рода подземная денудация приводит к разуплотнению и декольматации горных пород, а также их удалению в другие участки подземного пространства. В результате могут происходить провалы. Особенно интенсивно суффозионно-карстовая денудация развивается в зонах водопонижения, где скорость движения подземных вод увеличивается.

       Подземные пожары. Эти стихийные бедствия - результат самовозгорания или загорания пластов каменного угля, горючих сланцев или торфяников при производстве горных работ. Подземные пожары приводят к выгоранию значительных объемов горючих горных пород и сопровождаются обрушением и сдвижением геологических тел и значительному загрязнению воздуха

       Термические оползни-обрушения и выбросы породы. Такие процессы имеют место на горящих и интенсивно горящих отвалах. Выбросы возникают под действием пара, образующегося в теле отвала (пустотах, трещинах) при попадании туда воды. Эти процессы способствуют загрязнению воздуха.

       Процессы  в криолитозоне. В области развития многолетнемерзлых пород воздействие человека на земную кору при добыче полезных ископаемых приводит к очень серьезному нарушению комплексов природных экзодинамических процессов. Относительная сбалансированность в их действии в таких районах зиждется на весьма хрупкой основе, заключающейся в примерном постоянстве мерзлотных условий природных грунтов. В поддержании этого постоянства очень велика роль растительного покрова и подстилки, аккумуляция которой происходит длительное время.

       Добыча  полезных ископаемых радикально нарушает мерзлотные условия в местах соэдания выработок и отвалов. В пределах криолитозоны отвалы, отсыпанные вне  днищ речных долин, промерзают даже там, где их подошвой служат талые грунты. Изменение температурного режима при создании карьера зависит от его величины и формы, а также от состава и свойств вскрываемых пород. В частности, открытым выемкам в галечниках свойственно увеличение температур внутри них на 2-2,5°.

       Специфические изменения претерпевают отвалы, возникающие  при снятии лессово- ледовой покровной  толщи, широко распространенной в перигляциальной  области криолитозоны. Такие отвалы протаивают и превращаются в пульпу, которая растекается по долинам ручьев, заполняя небольшие озерные котловины. Помимо всего, сброс больших объемов воды при откачках, производимых при добыче полезных ископаемых из-под мерзлотных горизонтов, при низких температурах приводит к образованию наледей значительной мощности. Последние разрушают дороги, выводят из строя поверхностные сооружения. Кроме того, они способствуют развитию таликов, которые становятся каналами питания подземных вод. В результате всего этого усиливается образование термокарстовых озер.

       Сброс сточных вод в летнее время вызывает загрязнение рек, усиление эрозии и аккумуляции. Кроме того, мощные наледи становятся плотинами в долинах рек, вызывая затопление, заболачивание и образование небольших озер.

       Образующиеся  при разработках прогибы и  провалы способствуют развитию озер и заболоченности территории, образованию таликов и поступлению поверхностных вод в подземные водоносные горизонты с последующим их загрязнением. Вспучивание кровли выработок происходит при их заполнении водой и ее замерзании, когда проходка ведется в условиях развития многолетнемерзлых пород.

       Угольная пыль и мерзлотный ландшафт. Повышенное количество угольной пыли вблизи карьеров в криолитозоне связано с тем, что мерзлые угли более хрупки, а это вызывает повышенное пылеобразование при их отбойке. Больший разнос угольной пыли происходит при погрузке мерзлых углей в транспорт на поверхности. В результате территория вокруг карьеров и шахт в радиусе 15-20 км засоряется угольной пылью. Таяние снежного покрова происходит здесь раньше обычного, а глубина протаивания грунтов увеличивается в 2,5-3 раза по сравнению с нормой. Все это вызывает образование озер и повышенную заболоченность территории. Из-за выноса пыли вода в озерах в весенний период содержит до З0-60 г/л взвешенных частиц и совершенно непригодна для водоснабжения населения. Загрязнение поверхностных вод приводит к разрушению зооценоза на площади, значительно превышающей размеры эолового рассеивания угольной пыли. Такое нарушение природного круговорота вещества, в конце концов вызывает очень сильную деградацию ландшафта.

       Активизация склоновых процессов. При разработке рассыпных месторождений объем отвалов оказывается меньше объема вынутой породы из-за сброса мелкозернистого материала в водотоки. В результате на месте разработок понижается базис денудации склонов, а интенсивность склоновых процессов соответственно возрастает. На участках склона протяженностью в десятки или даже сотни метров существенная подрезка его основания вызывает разрыв мохово-дернового покрова и небольшие термокарстовые просадки. В месте перехода вскрытой части склона в закрытую моховодерновым покровом происходит сползание образующейся при избыточном протаивании пульпы со скоростью 10-20 м в год. Активизация солифлюкции и оползневой деятельности вызывается также отводом подземных вод при их откачках в овраги и речные долины.