ГЕОЭКОЛОГИЯ. ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ. ГИДРОГЕОЛОГИЯ. ГЕОКРИОЛОГИЯ, 2008, № 1, с. 49-59
ПРИРОДНЫЕ И ТЕХНОПРИРОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ
УДК 553.632
МОНИТОРИНГ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ В ПРОЦЕССЕ РАЗРАБОТКИ КАЛИЙНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
© 2008 г. В. В. Белкин
ОАО "Уралкалий" Поступила в редакцию 15.10.2006 г.
Рассматривается методика определения изменений геологической среды на крупнейших разрабатываемых калийных месторождениях мира. Отмечается, что для определения величины этих изменений необходимо определение фонового состояния геологической, а также сопредельных сред. Особо выделены изменения, характерные для солевых месторождений: засоление поверхностной и подземной гидросферы, деформации земной поверхности и возрастающая сейсмичность района. К наиболее значимым мероприятиям, снижающим негативное техногенное воздействие на геологическую и сопредельные среды, относятся закладка выработанного пространства и подземное захоронение избыточных рассолов калийного производства.
ВВЕДЕНИЕ
Проблема безопасного недропользования в современном индустриальном обществе как никогда актуальна. Деятельность человека, связанная с влиянием на геологическую среду, приобрела масштабы, в значительной мере сопоставимые с действием региональных природных процессов. Длительное техногенное воздействие на нее зачастую может приводить к нарушению имеющегося природного равновесия. При этом воздействие различных техногенных факторов на геологическую среду обычно имеет наступательный, прогрессирующий характер, а его многосторонние результаты охватывают и другие компоненты окружающей среды (реки, озера, почву, рельеф, атмосферу и др.). Оценка этого влияния невозможна без наличия различных по масштабу целенаправленных наблюдений за объектами геологической среды, на основе которых и могут быть установлены тенденции развития в первую очередь инженерно-геологических и гидрогеологических процессов, вскрыт их механизм и разработаны способы управления.
Одним из наиболее мощных наряду, например, с разработкой угольных месторождений является техногенное воздействие, оказываемое на геологическую среду в процессе очистной выемки калийных руд, масштабы влияния которой обусловлены, прежде всего, многотоннажностью производства удобрений. Естественно, что геологическая среда требует к себе повышенного внимания там, где значительны масштабы добычи калия.
МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ МОНИТОРИНГА ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ НА РАЗЛИЧНЫХ КАЛИЙНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЯХ МИРА
В результате освоения, начиная с 1958 г., самого крупного в мире месторождения калийных солей в провинции Саскачеван (Saskatchewan) Канада заняла лидирующее положение в мире по запасам, добыче и экспорту этого вида сырья. Ежегодный уровень добычи калийных руд в стране составляет около 32% от общемирового. Крупнейшая канадская калийная компания Potash Corporation of Saskatchewan Inc (PCS) разрабатывает Саскачеванское калийное месторождение в четырех шахтах.
Калийный пласт на Саскачеванском месторождении размещается в толще так называемой "формации эвапоритов прерий" на глубине около 1000 м. В кровле залегает каменная соль мощностью 15-20 м. Выше расположен второй пласт красноцветных аргиллитов, над которым залегает водоносная толща аргиллитов, известняков, доломитов и ангидрита формации Даусон Бей (Dawson Bay). Мощность толщи пород от кровли калийного пласта до водоносного горизонта составляет 15-50 м. Выше первого пласта красно-цветных аргиллитов вся толща пород в большей или меньшей степени водоносна, особенно насыщены водой породы Блерморской формации в интервале глубин 500-630 м, представленные не-уплотнившейся породной массой из песка, сланцев, глины и алевролитов [16-18].
Самая болезненная проблема калийных рудников во всем мире - их затопление. В Саскачеване из 17 стволов калийных шахт, пущенных в эксплуатацию в провинции, пять имели большие
притоки воды или были полностью затоплены при их прохождении. В трех стволах притоки воды по объему были достаточно большие, в связи с чем потребовались ремонтные работы после запуска их в производство. В шести из девяти шахт в провинции столкнулись с большими притоками воды в шахтных панелях, далеко удаленных от стволов, а в трех случаях объем притоков был многие тысячи литров в минуту.
До начала ведения горных работ, а также в течение первых 14 лет их ведения сейсмическая лаборатория Службы Геологической съемки Канады (GSC) не фиксировала в области разрабатываемой калийной залежи Эстергази (Esterhazy) наличия сейсмической активности. Первое землетрясение силой 3.0 балла произошло в районе шахты K-1 7 ноября 1976 г. Эпицентр находился над пройденными выработками, при осмотре которых не было выявлено повреждений, однако не все участки выработок были доступны для осмотра. Местные жители сообщили о том, что они слышали взрыв, шум и скрежет, но никаких разрушений не было зафиксировано.
Начиная с 1976 г., около обеих действующих шахт (K-1 и K-2) произошло 26 землетрясений с максимальной силой 3.7 балла. В других частях мира подобные техногенные явления были бы причиной смертельных случаев и серьезных разрушений шахт. Здесь же, напротив, никто не был ранен, и ущерб ограничивался незначительным оседанием земной поверхности. Были зарегистрированы местными сейсмографами и отдаленные крупные землетрясения. Эпицентры и сила большинства землетрясений были рассчитаны Службой Геологической съемки Канады. Многие события были локализованы по изосейсмическим картам, построенным по уточненной шкале интенсивности Меркалли на основании данных, полученных от поквартирных опросов местных жителей. Максимальными воздействиями во время наиболее крупного землетрясения стали растрескивание штукатурки в некоторых зданиях и опрокидывание небольших незакрепленных объектов.
В 1986 г. система сейсмического мониторинга была установлена под землей в шахте K-2 вскоре после появления большого притока воды на панели 10B. Данная система зафиксировала проявление многочисленных микроземлетрясений. Причинами таких незначительных сейсмособытий являлось разрушение целиков или падение обломков соли с кровли выработок. В 1994 г. установили систему мониторинга с более широким динамическим диапазоном и пропускной способностью. Эта 6-канальная система регистрации, известная как PDAS (Портативная система получения и накопления данных), работающая со скоростью 1000 проб в секунду в динамическом
диапазоне 120 децибел. Она записывает данные на трехкомпонентный сейсмоприемник, использующий 1-Гц сейсмографы Mar Products. С 1984 до 1989 г. зарегистрированы 16 землетрясений, большинство из которых случилось в шахте K-2. В период 1989-1991 гг. землетрясений ни в одной шахте не было, однако, начиная с 1992 г., произошло еще четыре в шахте K-2.
Проходка горных выработок приводит к оседаниям земной поверхности. Для наблюдения за оседаниями земной поверхности в Саскачеване имеется наблюдательная сеть, состоящая из 585 реперов. Максимальное зафиксированное оседание составило 90 см.
Основной геофизический метод для оценки строения геологической среды на калийных месторождениях в настоящее время - сейсморазведка, проводимая как в двух, так и в трехмерном варианте. Преимущество трехмерной сейсморазведки, по мнению канадских геологов, состоит в том, что ее результаты наиболее правильно отображают зоны, лежащие под земной поверхностью, имеют высокоплотный контроль и обеспечивают полную картину строения формаций. Главное неудобство этой разведки состоит в ее более высокой стоимости проведения на единицу изучаемой площади. При сравнении топографических карт и аэрофотоснимков с результатами трехмерной сейсморазведки было сделано заключение, например, что соляные деформации на панели В-2 линейно ориентированы. Интерпретация данных сейсморазведки проводится канадскими геологами при помощи интерактивной автоматизированной станции. Ни от данных гравитационной, ни от данных магнитной разведки, проведенных в районе панели В-2, не было получено каких-либо признаков, которые показали бы границы соляной деформации, как было обозначено трехмерной сейсморазведкой.
Оценка строения геологической среды в компании Potash Corporation of Saskatchewan Inc включает в себя ряд методов ведения исследований. Эти методы используются для того, чтобы оценить возможность ведения горных работ и включают использование двух- и трехмерных (2-D и 3-D) сейсморазведок, бурение глубоких горизонтальных и вертикальных скважин, фотодокументацию, магнитную и гравиметрическую разведки в сочетании с анализом фактических объемов выемки калийных руд.
При ведении в дальнейшем мониторинга геологической среды на калийных рудниках Канады наряду со стандартными геологическими и геомеханическими методами применяют также ряд геофизических методов: сейсмологический контроль, упомянутые сейсмические исследования с поверхности, а также подземные исследования с помощью радара, электромагнитных волн, сей-
сморазведку методом преломленных волн и методом сейсмического отражения.
Однако случающиеся затопления рудников, а также фиксируемые техногенные землетрясения свидетельствуют пока о недостатке геолого-гидрогеологической информации, необходимой для своевременного выявления участков с аномальным строением геологической среды и для прогноза ее устойчивости при разработке калийного месторождения.
Большинство калийных рудников Германии
расположены в районах Ронненбург-Ганса, Зар-штедт-Лерте, Фульда, Верра, Заале-Унструц, Стассфурт и Ашерслебен. Основной объект разработок - хартзальц (твердая соль), сильвинсодержащая руда с высоким содержанием примесных сульфатов магния и кальция. Доля в мировом производстве хлористого калия компании Ка-Н&Ба^ (Германия) составила в 2004 г. 11.6%.
Многочисленные месторождения калийных солей Германии связаны с цехштейновыми галогенными толщами, широко развитыми в пределах Северо-Германской низменности. Цехштейно-вый бассейн осадконакопления занимал огромную площадь от Северной Британии, захватывая Северное море, Нидерланды, Данию, значительную часть Германии и Польши. Соляная седиментация, происходившая в этом обширном мелководном бассейне, подразделяется на шест
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.