Угленосная формация визейского яруса нижнего карбона Кизеловского угольного бассейна, расположенного на Западном Урале, разрабатывается шахтным способом. Сложность горно-геологических условий добычи угля обусловлена интенсивной закарстованностью и обводненностью вышележащих известняков.
Из 18 угольных шахт, работающих в регионе, 8 характеризуются притоками карстовых вод свыше 1000 м3/час. В случае внезапных прорывов водопритоки могут достигать 3200 м3/час. Гидродинамическая связь поверхностных и подземных вод обусловлена природно-техногенными факторами — высокой трещинно-карстовой проницаемостью углевмещающих массивов, разработкой угля под карстовым водоносным горизонтом, откачкой шахтных вод.
Трещинно-карстовые
воды по сравнению с межпластовыми и пластово-трещинными наиболее обильны. Они локализованы дизъюнктивными и пликативными нарушениями. Водопритоки в горные выработки, как правило, проявляются из трещин осевых зон складок, зон тектонических нарушений со смещением (сдвигов, надвигов и др.), карстовых полостей.
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 [1, 2, 3].
Современная структура карстовых массивов закладывалась в естественных условиях олигоцен-миоцена 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 дренажной 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 НСО3-Са вод с минерализацией 0,06–1,5 г/л и нейтральной средой (рН=7,3–7,5) в карбонатных толщах.
Карст региона относится к голому и покрытому типам [4], что является одним из факторов зависимости режима карстовых вод зоны активной циркуляции от режима атмосферных осадков. Среднегодовое количество осадков колеблется около 750 мм, с выраженными летним (июнь) и осенним (октябрь-ноябрь) максимумами.
Источники из карбонатных отложений угленосной толщи в зоне влияния шахтных полей относятся к периодически действующими. Их дебиты возрастают после дождей, в ряде случаев до 50 л/с, при минимальных значениях 1–3 л/с. Данный режим является следствием водопонижение на 40–50 м в результате откачек шахтных вод. Уровень карстовых вод в пределах шахтных полей 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, что и определяет периодический режим источников.
Данный режим не распространяется на источники территорий, не занятых горными работами. Здесь действуют постоянные водообильные источники. Подобная ситуация характерна для синклинальных структур, в пределах которых угольные пласты погружаются на глубины свыше 1500 м.
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. В меженный период подземные воды не смешиваются с поверхностными. Смешение вод возможно в периоды весеннего и осеннего максимумов при подъему уровня трещинно-карстовых вод и боковой фильтрации речных вод.
Притоки магистральных дрен отличаются сменой поверхностного стока на подземный и наоборот. Карстовые потоки со смешанным атмосферным и подземным питанием, разгрузкой в виде источников в крупные карстовые реки,являются важным звеном в гидродинамической системе карстового массива, в частности, и экологической системе региона в целом.
Некоторые малые реки используются для сброса шахтных вод. Они как бы включаются в технологическую цепочку горнодобывающего производства и становятся источником загрязнения подземных и поверхностных вод [5].
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 сульфатный состав. Сульфатные железисто-алюминиевые,натриево-кальциевые воды имеют минерализацию 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.
Малые реки до впадения в них шахтных вод имеют HCO3-Ca-Na гидрохимическую фацию, минерализацию 90–150 мг/л и слабокислую реакцию среды (рН=5,8). Ниже по течению стока шахтных вод они приобретают SO4-Fe-Al состав при минерализации от 640 до 6000 мг/л. Содержание SO4 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 55 лет сильно изменил их естественный режим. Заполнение карстовых полостей в местах фильтрации шахтных вод железосодержащими осадками, в составе которых до 46 % гетита, сопровождается уменьшением подземного и увеличением поверхностного стока. Загрязненные воды, очищавшиеся ранее при прохождении по трещинам и полостям в карбонатных породах, в настоящее время впадают в магистральные реки. В зимнее время малые реки питаются исключительно шахтными водами.
Воды магистральных рек по химическому составу мало отличаются от малых рек ниже их устьев. Вода имеет кислую среду (рН 2,3–3,5), SO4-Ca-Mg гидрохимическую фацию, содержание SO4 до 270 мг/л и минерализацию 450–500 мг/л.
Интенсивно загрязняются и донные осадки. На их загрязнение указывает изменение состава водных вытяжек с HCO3-Ca на SO4-Ca, 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.
В горнодобывающем районе интенсивно загрязняются поверхностные водотоки, что связано с меняющейся гидродинамикой малый рек и снижением интенсивности естественной очистки на подземных участках. Подземные воды в силу природно-техногенных причин изолированы от поверхностных водотоков и активного загрязнения. Тем не менее, фильтрационное загрязнение происходит на площади угольных отвалов. Атмосферные воды, фильтруясь через них, обусловливают сульфатное загрязнение вод на глубинах 30–50 м от поверхности. Гидрохимическая НСО3-Са фация меняется под источниками загрязнения на SO4-HCO3-Ca (содержание SO4 достигает 300–350 мг/л при минерализации 700–760 мг/л) [6].
Учитывая сказанное Кизеловский угольный бассейн следует рассматривать как территорию потенциальных геоэкологических катастроф. В настоящее время ведутся исследовательские работы по применению искусственных геохимических барьеров для снижения интенсивности загрязнения подземных и поверхностных вод.
Библиографический список
Горбунова К.А., Максимович Н. Г. Техногенное воздействие на закарстованные территории Пермской области // География и природные рессурсы.- 1991.- N 3
Maximovich N.G., Gorbunova K. A. Geochemical aspects of the geological mediumchanges in coalfields // proceed Sixth Int. Congress Int. Ass. of Eng. Geology. Balkema, Rotterdam, 1990
Горбунова К.А., Максимович Н.Г., Андрейчук В. Н. Техногенное воздействие на геологическую среду Пермской области // Науч. докл.- Пермь: Горн. ин-т УрО АНСССР, 1990
Горбунова К.А., Андрейчук В.Н., Костарев В.П., Максимович Н. Г. Карст и пещеры Пермской области.- Пермь, изд-во Пермского университета, 1992
Зуев И.А., Бакина С. А. Состав поверхностного стока с территории шахт Кизеловского угольного бассейна // Охрана окружающей природной среды / Пермь: науч. тр. ВНИИОСуголь.- 1980, Вып. 26
Никифорова Е.М., Солнцева Н. П. Техногенные потоки серы в гумидных ландшафтах районов угледобычи // Вестник Московского ун-та.- 1986, N 3, серия 5 — геогр.
