6.3 Влияние горного производства на недрах

Воздействие горного производства на недра проявляется в проведении горных выработок, извлечении полезных ископаемых, вскрышных и вмещающих пород, осушении или обводнении месторождений (или их участков), сбросе сточных вод, захоронении отходов производства. В результате этого воздействия изменяется напряженно-деформированное состояние массива горных пород, снижается качество полезных ископаемых, образуются потери минерального сырья, происходит возгорание полезных ископаемых и вмещающих пород, загрязнение недр, в них развиваются карстовые процессы.

Изменение напряженно-деформированного состояния массива горных пород. Известно, что массив горных пород характеризуется определенным напряженно-деформированным состоянием.

Выделяют три тектонические формации, отличающиеся определенными особенностями формирования поля напряженности: районы древних кристаллических щитов; районы отложения осадочных пород на кристаллических платформах; районы современной тектонической активности. Районы древних кристаллических щитов (например, Кольский полуостров и др.) характеризуются высокими горизонтальными напряжениями, обусловливаемыми естественным тангенциальным сжатием твердой оболочки земной коры. Районы отложений осадочных пород на кристаллических платформах характеризуются отсутствием тектонических напряжений. В таких районах напряженность массива горных пород определяется гравитационными силами и силами бокового распора. Районы современной тектонической активности характеризуются особенно сложной картиной напряженности массива горных пород. В этих условиях наряду с большими горизонтальными напряжениями на отдельных локальных участках вертикальные напряжения могут быть больше или меньше' величины уН (где у - плотность пород, Н - глубина горных работ).

При проведении горных выработок в области их влияния происходит изменение поля напряжений, при этом характер изменения имеет определенные особенности для составляющих, обусловленных различными силами. Например, изменение напряжений, обусловливаемых силами бокового распора, носит иной характер, чем изменение напряжений, обусловливаемых гравитационными или гидростатическими силами.

В неподработанном массиве (при горизонтальной земной поверхности) направление одного из главных напряжений G является вертикальным. Под углом (45° - /2) к нему можно провести два семейства поверхностей скольжения (где  - угол внутреннего трения). Под углом 90° к напряжению ел действует напряжение _з. При подработке горизонтальной (или пологой) залежи направления действия главных напряжений ₁ и _з существенно меняются. Направление напряжения аз в отдельных точках массива совпадает с направлением смещения в этих точках, а направление ₁ становится перпендикулярным к направлению _з.

Потери минерального сырья. Одно из наиболее значительных воздействий горного производства на недра - неполное использование содержащихся в них минеральных ресурсов.

Большой объем потерь полезных ископаемых возникает при их добыче и переработке. Наиболее характерные виды потерь угля при открытой и подземной разработке: в почве и кровле пластов, при селективной разработке пластов, в целиках между заходками, при зачистке площадок и откосов угольных уступов, взрывных работах, обогащении в забое и на транспортерных лентах, транспортировании. На рудниках черной и цветной металлургии основная масса потерь возникает в приконтурной зоне и на контактах руды с породными прослоями, не включенными в балансовые запасы. При разработке месторождений фосфатного сырья основная масса потерь возникает при отработке и зачистке кровли и почвы пласта, а при разработке калийных руд - в междукамерных целиках.

Велики потери при извлечении полезных компонентов при обогащении сырья и в металлургическом переделе.

Л.А. Барский выделяет два вида потерь при переработке полезных ископаемых: технологические и организационные.

Рекомендуемые материалы

К технологическим относятся потери: зависящие от природного качества руды, поступающей на переработку; связанные с системой разработки месторождения, организацией горных работ и способом добычи; связанные с принятой технологией переработки.

В организационные включены потери: связанные с нарушением принятой технологии; зависящие от организации и управления предприятием, не связанным с процессом переработки; в процессе переработки.

По продуктам переработки и технологическим процессам потери ценного компонента распределяются следующим образом: потери при рудоподготовке - хвосты сепарации, пыли; потери при обогащении - отвальные хвосты, отвальные шламы, разноименные концентраты, пыли, промстоки; потери при гидрометаллургии - кеки, осадки, промстоки; потери при пирометаллургии - шлаки, пыли, газы.

В прошлом, при незначительных масштабах добычи и переработки полезных ископаемых и отработке месторождений с простыми горно-геологическими условиями, объемы потерь, минерального сырья не вызывали особой тревоги. В настоящее время, учитывая резко возросшие размеры добычи, неполное использование минеральных ресурсов недр является недопустимым.

Потери полезных ископаемых не только преждевременно истощают балансовые запасы, они отрицательно влияют и на экономику горно-добывающей промышленности. При этом теряется не только минеральное сырье, но и часть средств, затраченных на разведку, строительство горного предприятия, подготовку месторождения к эксплуатации. Несмотря на принимаемые меры, уровень потерь минерального сырья остается достаточно высоким. Так, при подземной добыче угля потери составляют 30-40 %, при открытой добыче они меньше - около 10 %. Общие потери полезных компонентов при добыче и переработке руд достигают 25 - 30 %, т.е. почти трети запасов месторождений.

Снижение качества полезных ископаемых. При эксплуатации месторождений полезных ископаемых происходит снижение качества сырья (по сравнению с природным). При этом уменьшается содержание полезного компонента в добытой горной массе, увеличивается его влажность, привносятся вредные компоненты из вмещающих пород и др. Причины снижения качества добытого полезного ископаемого различны. Так, при добыче угля открытым способом его влажность очень часто оказывается выше геологической. Это связано с тем, что в результате выемки вышележащих пород полезное ископаемое набухает (если оно представлено склонными к набуханию породами), или же с тем, что полезное ископаемое под влиянием экскавации и буровзрывных работ частично разрыхляется и впитывает дополнительную влагу. Снижение содержания полезного и увеличение содержания вредного компонентов в добытой горной массе может быть связано с попаданием пустых пород в очистные забои, несоответствием применяемой техники и технологии ведения горных работ горно-геологическим условиям месторождения.

Карстовые процессы в массиве горных пород. Осушение месторождений, намеченных к разработке, может значительно интенсифицировать карстовые процессы. В карстовых пустотах, образующихся при выщелачивании легкорастворимых пород (карбонатов, сульфатов, солей и др.), накапливается большое количество подземных вод, способных прорываться в горные выработки и представляющих опасность при разработке месторождений. При наличии карстовых полостей возникает угроза попадания в них людей, горного оборудования и транспортных средств. На месторождениях, где разрабатываются известняки, каменная и калийная соли, гипсы и другие минеральные образования, подверженные выщелачиванию, карстовые процессы могут значительно усложнять форму тел полезных ископаемых и приводить к уменьшению запасов полезных ископаемых. Выщелачивание известняков, подстилающих угольные пласты в Подмосковном бассейне, обусловило мульдообразное погружение и более сложные формы проседания угольных залежей, что значительно затрудняет, а в ряде случаев делает невозможным эффективное использование механизированных средств угледобычи. Карстовые процессы снижают также несущую способность кровли подземных выработок.

Карстовые процессы в условиях открытой разработки месторождений вызывают дополнительные количественные и качественные потери полезного ископаемого, затрудняют ведение буровзрывных работ и работу карьерного транспорта. На устойчивость уступов и бортов карьеров также влияют карстовые процессы, вызывая деформации откосов.

Загрязнение недр происходит в основном за счет захоронения в них отходов промышленного производства. Существует ряд способов захоронения отходов в недрах земли: использование горных выработок отработанных шахт и рудников; создание специальных искусственных полостей; нагнетание отходов (чаще жидких) в гидрогеологические структуры (поглощающие водоносные горизонты) и др. В поглощающие горизонты удаляются сточные воды нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности, жидкие отходы повышенной токсичности. Ежегодно в недра закачивается около 120 тыс. м³ рассолов и 1,8 млн м³ засоленных сточных вод, образовавшихся при добыче соли.

В США имеется 246 полигонов подземного захоронения. При этом используются скважины глубиной от 300 до 3000 м и более. Приемистость скважин достигает 1800 м³/сут. Ежегодно в США на душу населения производится свыше 27 т различных отходов, из которых на долю опасных приходится около 5 %. Не желая идти даже на незначительные расходы по строительству очистных сооружений, монополии размещают около 90 % всех ядовитых отходов своего производства в недрах (иначе говоря, закапывают) в нарушение всех существующих норм безопасности.

С развитием ядерной энергетики существенно возрастает опасность загрязнения недр при размещении в них радиоактивных отходов (РО). По оценкам МАГАТЭ производство реакторами 1000 МВт электроэнергии приводит к необходимости ежегодного захоронения 200-500 м³ твердых РО среднего уровня активности. Специалисты отмечают, что уровень развития науки и техники не позволяет пока создать хранилища на поверхности, обеспечивающие надежную изоляцию в течение сотен лет, необходимых для распада долгоживущих радионуклидов. Поэтому основное внимание уделяется выбору подходящих условий для размещения РО в недрах. Для захоронения РО низкого и среднего уровня активности используются поверхностные слои, в которых проходят земляные траншеи или сооружают железобетонные емкости.

Известен опыт Канады, где в болотистой местности на глубине 150-160 см были размещены блоки боросиликатного стекломатериала с активностью 4-10¹³ Бк/л. Скорость выщелачивания отходов в грунте составила 5-10" г/ (см²сут).

Но этот случай является единичным, поскольку основные объемы РО размещаются в глубоких геологических формациях. В качестве таких формаций пригодны пласты соли, глины, кристаллические структуры и др. Специалисты отмечают повышенный интерес к соляным формациям, обусловленный наличием в ряде стран крупных монолитных образований, их низкой проницаемостью и пористостью и простотой сооружения хранилищ. Для этой цели часто используются отработанные солевые шахты. Считается, что соляная формация должна иметь в диаметре несколько сотен метров, а высота пласта над и под хранилищем должна составлять не менее 100 м.

С 1965 г. в ФРГ на расстоянии 70 км от г. Ганновера в соляной шахте АССЭ на глубине 490-700 м от поверхности размещено хранилище РО низкой и средней активности. В шахте имеется 130 камер, каждая высотой 50 м и площадью 90 х 45 м, расположенных на 13 различных горизонтах. В штате Нью-Мексико (США) предполагается разместить хранилище в солевой формации на глубинах 580-825 м.

Вместе с тем размещение хранилищ в солевых формациях имеет ряд недостатков, связанных со сравнительно высокой растворимостью соли, возможностью ее разложения при повышенных температурах, подверженностью радиолизу, коррозионным воздействием на многие материалы. Изучение радиационной стойкости каменной соли показало, что при ее облучении может выделяться О, образование которого оказывает неблагоприятное воздействие при эксплуатации хранилищ. Кроме каменной соли для захоронения РО используются и другие геологические формации. В Бельгии, например, такое хранилище запроектировано в третичных глинах на глубине 160-270 м для хранения контейнеров диаметром 0,3 м и длиной 1,5 м. Однако в последние годы специалисты отдают предпочтение массивам кристаллических пород, имеющим значительные размеры в плане и по глубине и сложенным гранитами, порфиритами, диабазами и другими породами с достаточно высокой теплопроводностью. При этом учитывается возможность неравномерного нагрева породного массива с образованием сдвиговых напряжений и появлением трещин.

Ещё посмотрите лекцию "44 Кто предложил использовать ультрацентрифугу для определения размера коллоидных частиц" по этой теме.

В связи с расширением масштабов ядерной энергетики опасность загрязнения недр радиоактивными отходами будет существенно возрастать. При несоблюдении установленных условий захоронения РО могут иметь место: выход подземных вод, загрязненных отходами, в открытые водоемы; загрязнение удаляемыми отходами разрабатываемых или намеченных к разработке месторождений полезных ископаемых и другие нежелательные последствия.

Для предотвращения загрязнения недр при проектировании и строительстве объектов в подземном пространстве, по мнению А.П. Старицына, необходимо обеспечить:

выбор оптимальных вариантов размещения объекта с учетом охраны недр, рационального режима и технологии объекта;

подготовку к строительству, применение прогрессивных технологических схем вскрытия вмещающей толщи горных пород и строительно-монтажных работ;

разработку объемно-планировочных и конструктивных решений объекта, позволяющих наиболее полно, комплексно использовать подземное пространство;

разработку и решение вопросов обеспечения охраны труда и техники безопасности, инженерной защиты объектов, промышленной санитарии и утилизации отходов производства, использования горных пород при вскрытии вмещающей толщи и проходке горных выработок. Возгорание полезных ископаемых и вмещающих пород. Усложнение горно-геологичеких условий разработки связано, в частности, с вовлечением в эксплуатацию месторождений полезных ископаемых и вмещающих пород, склонных к самовозгоранию. Так, при разработке, складировании и транспортировании сульфидных руд Норильского и Талнахского месторождений происходят самонагрев и возгорание рудной массы. При подземной разработке северо-уральских бокситовых месторождений имеет место самовозгорание обрушающихся сланцевых пород кровли. Большинство угольных месторождений страны состоит из самовозгорающихся углей или содержит самовозгорающиеся сланцевые породы в составе вмещающей толщи. Негативные последствия этого явления проявляются в усложнении технологии горных работ, возникновении оползней и провалов, загрязнении окружающей среды, а также в усложнении хранения и транспортирования самовозгорающихся полезных ископаемых. При этом наиболее типичным и опасным видом воздействия на окружающую среду является химическое загрязнение воздушного и водного бассейнов продуктами разложения, выщелачивание химических элементов подземными и поверхностными водами. В атмосферу выделяется значительное количество оксида углерода, диоксида серы, сероводорода, углекислого газа и углеводородных соединений.