Scientific journal

Modern problems of science and education

ISSN 2070-7428

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,006

Кизеловский угольный бассейн объединяет ряд месторождений каменного угля на Западном Урале, расположенных в восточной части Пермского края Российской Федерации. Вытянутый в виде узкой полосы шириной 5-20 км, он протягивается на 150 км вдоль западного склона Урала. Площадь бассейна около 1500 км2. Добыча угля в небольших объемах была начата в 1797 г. штольней «Запрудная» на правом берегу р. Кизел. Наиболее интенсивно запасы бассейна отрабатывались в 1940-1980 гг., пик добычи – 12 млн т, был достигнут в 1959-1961 гг. Отличительной особенностью углей является высокое содержание в них серы, преимущественно пиритной, составляющее в среднем по разным источникам 6,5%. Шахты бассейна отличались сложными горно-геологическими условиями ведения работ, высоким травматизмом, низкой производительностью и являлись нерентабельными. В связи с этим все они были закрыты в 1993-2000 гг. по программе реструктуризации угольной отрасли РФ[1].

Косьвинское месторождение каменного угля является одним из основных в Кизеловском угольном бассейне. Оно приурочено к одноименной синклинали, вытянутой с севера на юг, как и остальные геологические структуры бассейна, расположенного в границах Западно-Уральской зоны складчатости. Наибольшая угленосность месторождения отмечается к северу от р. Косьвы, пересекающей синклиналь в широтном направлении. Общая протяженность месторождения 36 км, на его северную относительно р. Косьвы часть приходится 15 км. Запасы западного крыла северной части Косьвинской синклинали и северного замыкания последней более 100 лет отрабатывались шахтами «Рудничная», «Центральная», им. Урицкого, им. Калинина. Отмеченными предприятиями велась выемка угольных пластов 11и13 характерной мощностью 1-1,5 и 1,5-2 м соответственно. Глубина ведения работ на самой глубокой шх. им. Урицкого превысила 1 км, последней была закрыта шх. «Центральная» в 1996 г.

Геологический разрез Косьвинской синклинали является одним из наиболее полных в угольном бассейне, он сложен осадочными отложениями от нижнего девона до нижней перми. Угленосность связана с нижним отделом каменноугольной системы, представленной турнейским, визейским и серпуховским ярусами. Турнейский ярус сложен карбонатно-терригенными отложениями мощностью около 300 м, которые горными выработками шахт

не вскрывались. Нижняя и средняя части визейского яруса средней мощностью 150 м представлены терригенными породами продуктивной (угленосной) толщи (hC1v1+2)с угольными пластами. Угленосная толща перекрывается карбонатными породами визейского и серпуховского ярусов (C1v3+s) мощностью до 380 м. Выше залегают карбонатные отложения среднего и верхнего карбона и нижней перми. Средний карбон включает башкирский и московский ярусы, в составе последнего выделяется глинисто-карбонатная пачка, являющаяся на территории Кизеловского бассейна водоупором. Общая мощность карбонатных отложений в кровле угленосной толщи превышает 700 м над нижним горизонтом шх. им. Урицкого и 1000 м в наиболее глубокой неотработанной части Косьвинского месторождения, в границах резервного шахтного поля «Косьвинское Глубокое».

На территории Косьвинского месторождения выделяются следующие водоносные комплексы[2;3]:

• визейско-артинский карбонатный – C1v3+s-P1a;
• Западно-Уральский спорадически обводненный региональный водоупор –hC1v1+2 (угленосная толща);
• франкско-турнейский карбонатный –D3fr-C1t;
• девонский терригенный – D.

Кроме этого, после затопления отработанных шахтных полей в составе угленосной толщи образовался техногенный горизонт шахтных вод. Из приведенных водоносных комплексов высокой водообильностью отличаются визейско-артинский и франкско-турнейский водоносные комплексы трещинно-карстовых вод. В обводнении всех шахт Кизеловского бассейна принимали участие трещинно-пластовые воды угленосной толщи и на большинстве шахт - воды визейско-артинского комплекса. За исключением отдельных случаев остальные водоносные комплексы в формировании шахтных водопритоков не участвовали. Визейско-артинский водоносный комплекс трещинно-карстовых вод на площади Кизеловского бассейна состоит из двух водоносных горизонтов: московско-артинского и визейско-башкирского, разделенных региональным водоупором среднего карбона. Из-за наличия водоупора влияние горных работ на гидродинамический режим подземных вод визейско-артинского комплекса ограничивается в основном визейско-башкирским горизонтом.

Визейско-башкирский водоносный горизонт является наиболее водообильным.К нему в бассейне приурочен ряд источников подземных вод с дебитом более 100 л/с.В частности, разгрузка трещинно-карстовых вод горизонта с северной части Косьвинской синклинали после закрытия расположенных здесь шахт происходит в виде крупного источника 05 со средним дебитом 267 л/с. Еще больше источник 407 на левом берегу р. Косьвы, через который происходит разгрузка вод визейско-башкирского горизонта с южной части Косьвинской синклинали. Средний дебит источника составляет 407 л/с (рис.1). С учетом хорошего качества и больших запасов воды горизонта широко используются для водоснабжения населенных пунктов на территории угольного бассейна. Трещинно-карстовые воды отвечают требованиям к питьевой воде до глубины не менее 1 км, поэтому они использовались на большинстве шахт в системах пожаротушения и обеспыливания. Для указанных целей осуществлялось бурение гидрогеологических скважин на визейско-башкирский горизонт непосредственно из горных выработок.

Водоносный комплекс угленосных отложений испытывал прямое и самое сильное дренирующее влияние горных работ, проводившихся в массиве продуктивной толщи. Поступление подземных вод комплекса происходило как в подготовительные выработки, так и в выработанное пространство лав. По техногенным трещинам над отработанными угольными пластами дренировалась вся вышележащая пачка угленосных отложений. Уровни подземных вод в этой части угленосной толщи понижались практически до нижней границы ведения горных работ. Водообильность комплекса в целом небольшая, входящие в него водоносные горизонты приурочены к пластам песчаника и разделены между собой пластами аргиллитов и алевролитов, а также пластами и пропластками угля. Шахтные водопритоки на верхних горизонтах шахт, формировавшиеся лишь за счёт подземных вод угленосной толщи, обычно не превышали 150–200 м3/час.

Визейско-башкирский горизонт принимал участие в обводнении большинства шахт бассейна, становясь на многих из них, включая шахты «Центральная», им. Урицкого и им. Калинина, основным источником формирования шахтных вод. Поступление трещинно-карстовых вод в горные выработки всех трех шахт происходило по техногенным трещинам, образовавшимся в кровельных породах отработанных угольных пластов при их сдвижении в выработанное пространство. Необходимым условием для такого дренирования трещинно-карстовых вод являлось распространение техногенных водопроводящих трещин до визейско-башкирского водоносного горизонта. Помимо сравнительно рассредоточенного, площадного поступления трещинно-карстовых вод по техногенным трещинам, на шх. «Центральная» с 1965 г.и до ее закрытия отмечался концентрированный приток этих вод в главный квершлаг VII горизонта из вскрытых данной выработкой закарстованных известняков визейского яруса. Во время последних гидрогеологических съемок горных выработок шх. «Центральная» в 1986-1988 гг. приток трещинно-карстовых вод в квершлаг составлял 310-370 м3/час или 36-38% от общего притока шахтных вод (табл.1).

Таблица 1

Притоки воды по шх. «Центральная» в 1986-1988 гг.

Активное участие трещинно-карстовых вод визейско-башкирского горизонта в формировании шахных вод обусловило в течение длительного времени значительную величину шахтных водопритоков. По шх. им. Урицкого среднегодовые притоки шахтных вод достигали в 1954 г.603 м3/час, по шх. «Центральная» в 1966 г. – 853 м3/час. В связи с закрытием в 1960-е годы шахт «Рудничная», им. Урицкого и им. Калинина шахтные воды с них были перепущены на шх. «Центральная», в результате на этой шахте с 1970 г. концентрировался приток шахтных вод со всей рассматриваемой части Косьвинского месторождения. Среднегодовая величина общего притока шахтных вод в 1970 г. достигала 1295 м3/час, в дальнейшем она несколько снизилась и в последние пять лет до начала поэтапного затопления шх. «Центральная» в 1989 г. была довольно стабильной, составляя в среднем 891 м3/час. В период с 1984 по 1989 г. на приток шахтных вод, откачивавшихся из шх. «Центральная», приходилось 7% от общего притока шахтных вод по действовавшим в этот период угледобывающим предприятиям Кизеловского бассейна.

Вследствие дренирующего влияния горных работ на визейско-башкирский водоносный горизонт уровень трещинно-карстовых вод горизонта испытал значительные понижения на шахтных полях. Наибольшее понижение уровня рассматриваемых вод имело место в районе главного квершлага VII горизонта, имеющего абсолютную отметку (-) 244 м, здесь уровень подземных вод снизился практически до отметки квершлага, или более чем на 470 м от своего естественного положения. Основной естественной дреной подземных вод Косьвинской синклинали является р. Косьва, характерный уровень воды в которой, в месте пересечения рекой отработанной части Косьвинского месторождения, равен 156 м. Основываясь на приведенных данных, можно говорить о том, что во время эксплуатации северной части Косьвинского месторождения областью разгрузки вод визейско-башкирского горизонта с его территории являлась не речная сеть, а горные выработки шахт.

Воды угленосной толщи и визейско-башкирского горизонта в естественных условиях являются гидрокарбонатно-кальциевыми, нейтральными или слабощелочными, имеют минерализацию, не превышающую обычно 0,5 г/дм3.В условиях горных выработок они трансформируются в кислые шахтные воды под воздействием серной кислоты, образующейся при окислении пирита, содержащегося в больших количествах в углях Кизеловского бассейна. Шахтные воды шх. «Центральная» отличались в Кизеловском угольном бассейне наиболее высоким содержанием загрязняющих веществ. В последние годы перед началом затопления данной шахты откачивавшиеся из нее на поверхность шахтные воды характеризовались величиной pH 2,5 и имели сухой остаток 6,4 г/дм3. Основными компонентами минерального состава этих вод стали железо и алюминий, практически отсутствовавшие в исходных природных водах (табл. 2).Содержание железа при этом превышало принятую в России ПДК для питьевых вод более чем в 4,5 тысячи раз, для водных объектов рыбохозяйственного значения - более чем в 13,5 тысячи раз.

Таблица 2

Химический состав шахтных вод северной части Косьвинской синклинали

Водоотлив шх. «Центральная» в 1989 г. оказался недостаточно подготовленным к весеннему паводку, во время которого происходит увеличение притока и кислотности шахтных вод. Произошло затопление нижних - IX и X горизонтов, которые не стали осушать в связи с небольшим количеством оставшихся запасов угля, в последующем постепенно были затоплены и остальные горизонты. Для приема воды с соседних отработанных шахтных полей шх. «Центральная» была соединена с ними горными выработками, поэтому ее затопление происходило одновременно с остальными шахтами на площади северной части Косьвинского месторождения.

В 1997 г. уровень затопления шахт повысился до штольни шх. им. Калинина, и шахтные воды начали изливаться через устье штольни на поверхность. В отработанных шахтных полях сформировался техногенный горизонт шахтных вод мощностью до 20 м, ставший основным в водоносном комплексе угленосной толщи на отработанных шахтных полях, разгрузка горизонта на поверхность происходит через указанную выше выработку. Систематические наблюдения за режимом шахтных вод, изливающихся из штольни, начались в 2000 г., с частотой один раз в квартал определялся расход шахтных вод, и проводилось гидрохимическое опробование этих вод для исследования их макро- и микрокомпонентного состава. Расходы шахтных вод за период наблюдения с 2000 по 2011 г. изменялись от 127 до 1440 м³/час в зависимости от года наблюдения и особенно сезона года: максимальные расходы были связаны обычно с периодом весеннего паводка, минимальные приходились на зимне-весеннюю межень. Средний расход шахтных вод за весь период наблюдений составил 409 м³/час, при этом за первые шесть лет он был равен 422 м³/час, за остальные шесть лет - 396 м³/час. Таким образом, можно говорить о том, что значительного снижения расхода шахтных вод за время их излива на поверхность не произошло.

Питание техногенного горизонта шахтных вод, как и водоносного комплекса угленосной толщи в целом, происходит путем инфильтрации атмосферных осадков на площади выходов угленосных отложений под покровные образования. Кроме этого, данный горизонт получает питание за счет поступления по техногенным трещинам вод визейско-башкирского горизонта. В условиях шх. «Центральная» значительную роль в пополнении запасов техногенного горизонта, вероятно, играют воды визейско-башкирского горизонта, поступающие в главный квершлаг VII горизонта. Некоторое количество шахтных вод образуется за счет поверхностных вод, попадающих в отработанные шахтные поля по провалам, образующимся на выходах угольных пластов на поверхность. В Кизеловском угольном бассейне количество осадков почти вдвое превышает величину испарения воды с поверхности земли; данный фактор определяет хорошие условия питания всех водоносных горизонтов, включая горизонт шахтных вод. Приведенные данные свидетельствуют о весьма благоприятных условиях питания техногенного горизонта в отработанных шахтных полях северной части Косьвинского месторождения. Этим обстоятельством объясняется сравнительно небольшое снижение объема образования шахтных вод после прекращения добычи угля, составившее 54% относительно объема шахтных вод перед началом затопления рассматриваемых шахт. В среднем по Кизеловскому бассейну соответствующее снижение объема формирования шахтных вод значительно больше и равно 83%. На основании приведенных данных большого снижения расхода шахтных вод, изливающихся из штольни шх. им. Калинина, в ближайшие десятилетия не ожидается.

Затопление шахт Кизеловского бассейна не привело к прекращению образования кислых шахтных вод, более того, шахтные воды в начальный период их излива на поверхность отличались намного большей концентрацией загрязняющих веществ относительно наблюдавшейся при работе угледобывающих предприятий. Отмеченное большое увеличение минерализации шахтных вод связано с тем, что в процессе затопления горных выработок шахтные воды растворяют все продукты окисления пирита в отработанном пространстве шахт, все более насыщаясь серной кислотой, а также сульфатами, железом, алюминием и рядом других веществ. Спустя некоторое время после выхода шахтных вод на поверхность имело место или продолжает происходить постепенное уменьшение сухого остатка и концентрации компонентов минерального состава шахтных вод. Начало и продолжительность данного процесса зависят от размеров шахтного поля, глубины ведения горных работ, количества и мощности отрабатываемых угольных пластов и ряда других факторов. На небольшой шх. «Белый Спой» процесс начался в первые месяцы после выхода шахтных вод на поверхность, для группы связанных между собой шахт в северной части Косьвинского месторождения он начался лишь через 6 лет после того как шахтные воды стали изливаться из штольни шх. им. Калинина.

Шахтные воды техногенного горизонта, образовавшегося в отработанных шахтных полях северной части Косьвинского месторождения, на выходе из штольни в 2000-2003 гг. характеризовались большим сухим остатком и высокой концентрацией сульфатов и железа, которая и определяла в основном минерализацию шахтных вод. Показатели величины сухого остатка и концентрации сульфатов и железа до 2004 г. были сравнительно стабильными и превышали соответствующие показатели до начала затопления шахт почти в три раза. С 2004 г. началось уменьшение сухого остатка и содержания сульфатов и железа в рассматриваемых водах (табл. 2). Кроме приведенных в таблице макрокомпонентов в шахтных водах в количествах, многократно превышающих принятые в России предельно допустимые концентрации для вод питьевого и рыбохозяйственного значения, присутствует целый ряд микрокомпонентов: бериллий, марганец, никель, кобальт, цинк, литий.

Для условий бассейна процесс уменьшения минерализации шахтных вод, изливающихся на поверхность из затопленных горных выработок, а также концентрации в этих водах сульфатов, железа и алюминия достаточно достоверно описывается следующим уравнением: y = cln(x) + b, где y - зависимая переменная, которая показывает концентрацию химического вещества в определенный промежуток времени, x - независимая переменная, которая принимает значения последовательности натурального ряда чисел (1, 2, 3;...) и выражает продолжительность излива шахтных вод на поверхность, коэффициенты b, c - константы [4; 5].

Для оценки качества модели использован коэффициент детерминированности R², т.е. достоверности аппроксимации, или уровня надежности. Коэффициент детерминированности дает количественную оценку меры анализируемой связи. Линия тренда в наибольшей степени приближается к представленной на графиках зависимости при значениях R², равных или близких к единице. Чем ближе R² к 1, тем в большей степени уравнение регрессии объясняет достоверность уменьшения концентрации химических веществ во времени.

На основании результатов химических анализов шахтных вод построены диаграммы изменения сухого остатка и концентрации сульфатов и железа в шахтных водах, изливающихся на поверхность через штольню шх. им. Калинина, в зависимости от времени снижения содержания в них загрязняющих веществ. Для каждой диаграммы приводится соответствующее ей уравнение логарифмической регрессии и коэффициент детерминированности R² (рис. 1). Для построенных диаграмм коэффициент R² составляет от 0,87 до 0,98, т.е. приближается к единице. Большие значения рассматриваемого коэффициента позволяют использовать логарифмический тип регрессии для прогнозирования изменения химического состава шахтных вод, изливающихся через штольню шх. им. Калинина.

Рис.1. Диаграммы снижения концентрации загрязняющих веществ в шахтных водах, изливающихся из штольни шх. им. Калинина.

Предложенный метод прогноза изменения концентрации компонентов химического состава шахтных вод применим лишь для периода снижения содержания этих компонентов. Спустя определенное время наступает относительная стабилизация концентрации основных компонентов минерального состава шахтных вод, и метод утрачивает свое значение. Продолжительность периода достижения указанной стабилизации для условий шх. «Белый Спой» равна 15 годам (рис. 2). Для шахтных вод рассматриваемой части Косьвинского месторождения с учетом трендов, отраженных на рисунке 2, ожидаемая продолжительность снижения концентрации загрязняющих веществ составит в целом 25 лет и 10 лет относительно 2014 г. Иными словами, предложенный метод применительно к шахтным водам, выходящим на поверхность через штольню шх. им. Калинина, можно использовать до 2025 г., в частности при разработке природоохранных мероприятий по предотвращению или снижению большого негативного влияния шахтных вод на окружающую среду, особенно наповерхностные воды. Большой объем шахтных вод и высокое содержание в них загрязняющих веществ определяют высокую стоимость природоохранных мероприятий, поэтому достоверный прогноз химического состава этих вод и его своевременная корректировка имеют большое значение для повышения эффективности указанных мероприятий.

Рис.2. Диаграммы изменения содержания загрязняющих веществ в шахтных водах, изливающихся из шурфа 63 шх. «Белый Спой».

Рецензенты:

Наумов В.А. д.г.-м.н., профессор, директор ЕНИ ПГНИУ, г. Пермь.

Ибламинов Р.Г., д.г.-м.н., профессор, зав. кафедрой минералогии и петрографии, ПГНИУ, г. Пермь.