Данная статья запланирована к публикации в сборнике, посвященном юбилею ОАО «ВНИМИ». В статье отражен взгляд гидрогеологов ведущего отраслевого института на современный уровень и состояние гидрогеологических исследований при разработке угольных месторождений, ликвидации угольных шахт и связанных с ней негативных гидрогеологических последствий.
В течение последних 20 лет на территории угледобывающих регионов Российской Федерации ликвидировано большое количество горных предприятий. В связи с высоким объемом капитальных и эксплуатационных затрат, в первую очередь закрытию подвергаются угольные шахты.
Ликвидация угольных шах, в большинстве случаев, происходит путем их частичного или полного затопления за счет собственного водопритока после остановки работы общешахтного водоотлива. Подъем уровня подземных вод в выработанном пространстве приводит к изменению гидрогеологической обстановки, сложившейся в период активной разработки месторождения, и формированию совершенно новых природно-техногенных структур, которые получили название техногенных гидрогеологических комплексов (ТГК).
Ликвидация и затопление угольных шахт приводит к целому ряду негативных гидрогеологических, экологических и социальных последствий, что вызывает необходимость разработки комплекса административных, экономических и технических мер по их предотвращению.
Значительный опыт гидрогеологических исследований, накопленный специалистами ОАО «ВНИМИ» по результатам работ на территории основных угледобывающих регионов России, включая Восточный Донбасс и Кузбасс, позволяет сделать обоснованные выводы и обозначить основные проблемы, возникающие при ликвидации и затоплении угольных шахт.
Негативные гидрогеологические последствия ликвидации угольных шахт можно разделить на две основные группы:
1. Возникновение угрозы прорыва или развития перетока шахтных вод на соседние действующие угледобывающие предприятия.
2. Возникновение угрозы подтопления земной поверхности, включая участки жилой застройки, объекты промышленности и инфраструктуры.
Возникновение первой группы негативных гидрогеологических последствий ликвидации угольных шахт обусловлено следующими факторами.
Сложившаяся практика ведения горных работ такова, что угольные шахты, эксплуатируемые в пределах одного месторождения или угольного района, нередко разрабатывают одни и те же пласты и граничат между собой через барьерные целики. Также, достаточно часто наблюдается ситуация, когда горные работы одной шахты проводятся под или над горными работами другой угольной шахты на, так называемых, участках прирезки к горным отводам.
Очень часто, отдельные шахты оказываются связаны между собой путем прямой сбойки через капитальные горные выработки, либо между ними прослеживается выраженная связь на участках сближенного ведения очистных работ через нарушенные и раздавленные барьерные целики, размеры которых были меньше нормативных.
Следует отметить, что в период активной эксплуатации угледобывающих предприятий, как в советское время, так и в современный период, инженерно-технический персонал предприятий не придавал особого значения вопросу изоляции выработанного пространства соседних шахт. Отдельные шахты сбивались между собой, между ними проводились технологические, вентиляционные и водоспускные горные выработки, которые отвечали нуждам текущего момента. О перспективах и возможных последствиях такой взаимосвязи в будущем, при возможной ликвидации угольных предприятий, никто не задумывался.
Поэтому, очень часто, ликвидация и затопление одной угольной шахты автоматически создает проблемы для соседних действующих предприятий, которые оказываются вынуждены откачивать дополнительный водоприток из затопленных горных выработок. Наличие гидравлических связей между большинством угольных шахт приводит к тому, что последняя действующая шахта в районе оказывается вынуждена откачивать суммарный водоприток группы гидравлически связанных ликвидированных шахт, что приводит к резкому росту затрат на водоотлив, снижению рентабельности и ускоренному закрытию предприятия.
Подобная ситуация наблюдалась в Восточном Донбассе при ликвидации шахты «Западная» в г. Донецк Ростовской области. Ликвидация и затопление шахты «Западная» в 2011 г. – последней действующей шахты в районе, собиравшей на себя суммарный водоприток группы ликвидированных шахт – привело к возможности возникновения трансграничного перетока шахтных вод из Донецкого техногенного гидрогеологического комплекса в действующие угольные шахты на территории Украины [1].
Аналогичная ситуация развивается в Прокопьевско-Киселевском угольном районе Кузбасса, где ликвидация и затопление нескольких убыточных шахт привели к последовательному закрытию в 2013 г. практически всех угледобывающих предприятий, производивших отработку запасов подземным способом [3].
Необходимо отметить, что закрытие угольных шахт и подъем уровня подземных вод в горном массиве создает опасность и для участков поверхностных горных работ. В карьеры, которые в период эксплуатации угольных шахт проводили отработку запасов практически «всухую», начинают поступать подземные воды, что требует организации водоотлива и создает угрозу устойчивости бортов [3].
Возникновение второй группы негативных гидрогеологических последствий ликвидации угольных шахт обусловлено следующими факторами.
Промышленная отработка запасов угля на территории большинства угледобывающих регионов России проводилась на протяжении более 80 лет. В период становления и активного развития угледобывающей отрасли в 30-ых годах прошлого века жилая застройка городов проводилась в непосредственной близости от угольных шахт. Зачастую, жилые районы располагались непосредственно на территории горных отводов.
В гидрогеологическом отношении, организация жилой застройки происходила уже после существенной трансформации геологической среды, в ходе которой произошло значительное снижение уровня подземных вод в трещиноватых водоносных комплексах терригенных пород угленосных отложений, заметное снижение уровня или полное осушение приповерхностного горизонта грунтовых вод, изменение режима поверхностных водных объектов, полное или частичное осушение болот.
Соответственно, строительство, как частных домовладений, так и многоэтажных жилых зданий, осуществлялось на участках, которые ранее могли располагаться в зонах высокого стояния уровня грунтовых вод, на пониженных участках рельефа, в поймах рек и вблизи береговой линии поверхностных водоемов.
Ликвидация и затопление угольных шахт после 80-ти лет непрерывной эксплуатации инициировала обратный процесс обводнения горных массивов, с постепенным подъемом уровня подземных вод до абсолютных отметок, соответствующих его естественному положению. В результате, значительные площади в пределах населенных пунктов попали в зону подтопления.
Необходимо отметить, что выход шахтных вод из техногенных гидрогеологических комплексов гидравлически связанных ликвидированных шахт практически всегда происходит концентрированно. Шахтные воды выходят через устья ликвидированных вскрывающих горных выработок или через проницаемый нарушенный массив над очистными выработками в тех частях горного отвода, где наблюдаются наименьшие отметки рельефа. Очень часто, общий водоприток цепочки гидравлически связанных ликвидированных шахт с суммарным расходом в несколько тысяч кубометров в час разгружается локально в одной точке.
С одной стороны, это приводит к тому, что непосредственно за счет шахтных вод оказываются подтоплены лишь небольшие участки поверхности. Чаще всего, в зону подтопления от выхода шахтных вод попадает лишь несколько десятков жилых домов, расположенных в пониженных частях рельефа на склонах речных долин или балок. С другой стороны, подъем уровня шахтных вод в выработанном пространстве ликвидированных шахт приводит к изменению водного баланса территории, ухудшению условий дренирования приповерхностного грунтового горизонта и общему подъему уровня грунтовых вод. В результате, в зону подтопления за счет подъема уровня грунтовых вод попадают значительные площади, включающие в себя как отдельные жилые районы, так и населенные пункты целиком.
Подобная ситуация наблюдалась на территории г. Анжеро-Судженск Кемеровской области, где, в результате ликвидации и затопления шахт «Анжерская» и «Судженская» в 2005 г., произошло заметное изменение режима приповерхностного грунтового горизонта и подъем уровня грунтовых вод, что вызвало подтопление нескольких жилых кварталов [2].
При выполнении практических работ по прогнозу гидрогеологических последствий ликвидации угольных шахт и разработке мероприятий по предотвращению развития негативных процессов, специалисты ОАО «ВНИМИ» неоднократно наталкивались на типовой перечень проблем, возникающих при ликвидации угледобывающих предприятий. Вероятно, это связано с наличием системных недостатков в сложившейся практике ведения горных работ, существующем порядке осуществления контроля за деятельностью горных предприятий и административном управлении.
Одним из ключевых недостатков является отсутствие должного гидрогеологического обеспечения ведения горных работ на угольных предприятиях. Практически нигде, ни на уровне отдельных добывающих предприятий, ни на уровне объединений и компаний, ни в проверяющих и контролирующих органах, нет квалифицированных специалистов-гидрогеологов.
При ведении подземных горных работ и эксплуатации шахты практически никогда не проводятся инструментальные наблюдения за величиной водопритока на центральные водоотливы, не говоря уже о контроле распределения водопритока по отдельным горизонтам, капитальным выработкам и лавам.
Практически ни на одной шахте в пределах горного отвода нет наблюдательных гидрогеологических скважин и, как следствие, отсутствует возможность достоверной оценки влияния горных работ на водоносные горизонты и прогноза водопритока к горным выработкам. Более того, даже при развитии экстренных ситуаций, когда уже становится очевидным наличие гидрогеологических проблем, гидрогеологические и наблюдательные скважины все равно не сооружаются.
Данные о величине фильтрационных свойств вмещающих пород, гидрогеологическом строении участка и величине гидрогеологических параметров водоносных горизонтов, имеющиеся на предприятиях, чаще всего, оказываются весьма приближенными. Нередко наблюдается ситуация, когда последние гидрогеологические работы на территории шахтного поля проводились в период разведки в 50-70-ых годах прошлого века, после чего никаких дополнительных гидрогеологических работ и режимных наблюдений за состоянием водоносных горизонтов и комплексов – не выполнялось. Разработка проектных решений в части организации водоотлива, зачастую, основывается на формальных оценках гидрогеологической обстановки без проведения сколько-нибудь значимых инженерных расчетов.
На сегодняшний день, остается констатировать факт, что гидрогеология как научное направление, как важная составная часть инженерного обеспечения ведения горных работ, практически целиком и полностью исключена из угольной отрасли.
Как следствие, специалисты горного профиля, геологи и маркшейдеры, оказываются не в состоянии принимать правильные решения в части предотвращения развития негативных гидрогеологических последствий при решении проблем ликвидации угольных предприятий. Нередко, их квалификация оказывается недостаточной и при решении текущих гидрогеологических задач в ходе эксплуатации угольной шахты, что может привести к трагическим последствиям. Примером такого рода последствий может послужить прорыв шахтных вод в горные выработки шахты «Осинниковская» в марте 2013 г., повлекший за собой гибель четырех человек.
Также, очевидным недостатком является отсутствие отработанных административных инструментов по решению проблемы ликвидации угольных шахт. При ликвидации шахты всегда возникает вопрос об источниках финансирования для поддержания работы действующих угледобывающих предприятий, которые принимают на себя дополнительный водоприток из ликвидированных шахт, и защиты городских территорий от подтопления.
На сегодняшний день этот вопрос решается просто – последние действующие шахты в районе вынуждены откачивать всю воду, поступающую со всего техногенного гидрогеологического комплекса ликвидированных шахт, за свой счет. Государство не предоставляет им никаких дотаций. Однако, после того, как последнее предприятие не выдерживает дополнительной нагрузки и закрывается, государство, все равно, вынуждено решать вопрос поддержания водоотливов для защиты территории жилой застройки от подтопления. Но теперь уже, в дополнение к прочим проблемам, развивается еще и социальная напряженность в виду полного отсутствия рабочих мест, потому все действующие шахты оказались закрыты.
Анализируя все вышесказанное, можно предложить следующие пути решения проблем ликвидации угольных шахт, которые заключаются, главным образом, в пересмотре существующего подхода к организации горного производства, организации контроля работы угледобывающих предприятий и административного управления. Введение такого рода изменений, безусловно, потребует какого-то времени и определенных финансовых затрат. Однако, совершенно очевидно, что без решения намеченных в данной работе ключевых вопросов, преодолеть существующие проблемы ликвидации угледобывающих предприятий не представляется возможным.
Очевидно, что для решения гидрогеологических проблем при ликвидации угольных предприятий необходимо привлекать квалифицированных специалистов-гидрогеологов. При выборе и обосновании технических решений, способных минимизировать негативные последствия ликвидации угольных шахт, должен использоваться гидрогеологический подход, подразумевающий наличие общих представлений о механизме формирования проницаемости трещинных коллекторов, опирающийся на данные режимных наблюдений за расходами и уровнями подземных вод, обобщающий результаты опытно-фильтрационных работ с определением гидрогеологических параметров водоносных горизонтов и комплексов и учитывающий результаты гидродинамических расчетов.
Для реализации гидрогеологического подхода руководители угледобывающих предприятий должны организовать полноценные режимные наблюдения за гидрогеологической обстановкой, путем установки водомерных счетчиков на внутришахтные водопроводы при выдаче воды на поверхность и организации регулярных (не реже одного раза в месяц) инструментальных замеров за расходом всех потоков подземных вод в пределах шахты по отдельным горизонтам и выработкам.
Практически в 100% случаев при решении гидрогеологических задач на угольных шахтах требуется бурение гидрогеологических скважин и проведение опытно-фильтрационных работ с целью определения проницаемости горных пород и организации режимных наблюдений за уровнями подземных вод.
В нашей стране был чрезвычайно короткий период в 80-ых годах прошлого века, когда при разведке месторождений пресных подземных вод или разведке месторождений твердых полезных ископаемых проводились полноценные опытные откачки из скважин. До этого, опытные работы ограничивались не представительными кратковременными прокачками желонкой с целью определения удельного дебита. В постсоветское время, как правило, гидрогеологические исследования в скважинах вообще не проводились. Соответственно, какие-либо достоверные сведения о гидрогеологических параметрах водоносных горизонтов и комплексов в пределах угольных месторождений, в большинстве случаев, отсутствуют в принципе. Если же опытные одиночные или кустовые откачки, включающие временное прослеживание снижения уровня, и проводились, то их результаты, практически всегда, нуждаются в повторной интерпретации и обработке, так как уровень владения основными приемами динамики подземных вод в части обработки данных опытных опробований у сотрудников геологических и гидрогеологических экспедиций, выполнявших геологоразведочные работы, всегда оставлял желать лучшего.
Для того, чтобы говорить о возможности выполнения достоверных гидрогеологических прогнозов в пределах одного шахтного поля, опытный специалист должен иметь в своем распоряжении многолетние данные режимных наблюдений, как минимум, по 5–10 наблюдательным скважинам. При этом, в идеальной ситуации, ряд режимных наблюдений должен включать период до начала отработки месторождения, сопровождать весь период работы горного предприятия и продолжаться далее на период рекультивации до полной стабилизации природно-техногенной системы.
Так, например, опыт проведения режимных наблюдений на специально организованном Анжеро-Судженском геодинамическом полигоне дал положительный результат. Полученные данные позволили однозначно оценить изменение гидрогеологической обстановки в период от начала ликвидации шахт «Анжерская» и «Судженская» до момента выхода шахтных вод на поверхность и стабилизации техногенного гидрогеологического комплекса [2]. К сожалению, Анжеро-Судженский геодинамический полигон является единственным ярким примером правильного подхода к организации наблюдений за ликвидацией угольных предприятий.
Разумеется, при организации разветвленной наблюдательной сети, возникает резонный вопрос об источниках финансирования подобного рода работ. По большому счету, этот вопрос уже давно решен в цивилизованных странах. Организация режимной гидрогеологической сети во многом повторяет принципы организации геодезических сетей, когда существует развитая государственная наблюдательная сеть, которая имеет регулярные пункты по всей территории страны. Частные недропользователи в пределах собственной территории сгущают эту сеть, устанавливая наблюдательные пункты в ключевых точках.
Необходимо отметить, что государство должно быть заинтересовано в организации сети режимных пунктов, так как достоверная информация по развитию и изменению гидрогеологической обстановки будет позволять применять эффективные технические решения и задействовать административные инструменты по поддержанию тех или иных недропользователей, деятельность которых обеспечивает безопасность жилых районов. В свою очередь, недропользователи также должны быть заинтересованы в проведении режимных наблюдений, так как достоверная информация о состоянии горного массива создает возможность оптимизации технологического процесса и ведет к снижению затрат на добычу.
Контроль за ведением режимных наблюдений на угледобывающих предприятиях должен осуществляться в рамках действующего законодательства в части соблюдения норм безопасности по линии Ростехнадзора и выполнения условий пользования недрами по линии Роснедра.
Важным условием наличия положительного эффекта от создания режимных сетей является ведение единой информационной базы, содержащей всю совокупность данных режимных наблюдений, и нахождение этой базы в абсолютно свободном доступе. В случае, если не будет соблюдено условие, когда любой специалист в любой момент времени может воспользоваться данными режимных наблюдений по собственному усмотрению, эффективность работы режимной сети будет равняться нулю.
В гидрогеологической практике при разработке прогнозов отработки месторождений твердых полезных ископаемых все большее распространение получают методы численного моделирования. Построение численных моделей является удобным инструментом решения гидрогеологических задач. Однако, для построения достоверной гидрогеологической модели специалисту необходим определенный объем исходных данных, которые получают на основании режимных наблюдений и посредством обработки результатов опытно-фильтрационных работ. Те модели, которые создаются в отсутствие необходимых исходных параметров, не могут быть использованы для разработки ответственных проектных решений.
В будущем, когда гидрогеологическим исследованиям будет уделено необходимое внимание и гидрогеологические работы приобретут должную роль в обеспечении ведения горных работ на стадии подготовки месторождения к эксплуатации, эксплуатации и ликвидации горных работ, численные методы, несомненно, приобретут ключевую роль при выполнении гидрогеологического прогноза, при планировании и ликвидации угольных шахт. В настоящий момент, большинство численных гидрогеологических моделей угольных месторождений создается в условиях недостаточной наполненности фактическим материалом и, как следствие, не могут решить возложенную на них задачу достоверного прогнозирования развития гидрогеологической ситуации.
Литература
1. Стеценко О.П. и др. О гидравлических связях шахт ДОАО «Донецкое» ОАО «Гуковуголь» в пределах Донецкого ТГК (с учетом ликвидации шахты «Западная» ЗАО «Донкокс» и с шахтами Украины). Отчет ОАО «ВНИМИ», Сакнт-Петербург, 2011 г.
2. Стеценко О.П., Лукьянов А.Е. и др. Заключение по определению участков жилой застройки города Анжеро-Судженск, подтопленных шахтными водами ликвидированных шахт "Анжреская", "Судженская" и "Сибирская", с разработкой мероприятий, снижающих негативное влияние шахтных вод на объекты поверхности. ОАО «ВНИМИ», Сакнт-Петербург, 2012 г.
3. Стеценко О.П., Лукьянов А.Е. и др. Разработка научно обоснованных предложений по стабилизации гидрогеологической ситуации в техногенных горизонтах и на поверхности горных отводов действующих и ликвидированных шахт Прокопьевско-Киселевского угольного района. Отчет ОАО «ВНИМИ», Санкт-Петербург, 2013 г.
При копировании материалов, представленных на сайте, ссылка на первоисточник обязательна.
