ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ ПРИРОДНЫХ И ПРИРОДНО-ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
УДК 622.012.2:556.3:51
ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ЗАПАСОВ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОДЗЕМНЫХ ВОД, ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ ДРЕНАЖНЫМИ СИСТЕМАМИ НА ГОРНО-СКЛАДЧАТОМ УРАЛЕ
© 2015 г. Л. С. Рыбникова***, П. А Рыбников*
* Институт горного дела УрО РАН, ул.Мамина-Сибиряка,58, Екатеринбург,620219 Россия..
E-mail: luserib@mail.ru
**ФГУП "Российский научно-исследовательский институт комплексного использования и охраны водных ресурсов ", ул.Мира,23, Екатеринбург, 620049 Россия. E-mail: ribnikoff@yandex.ru
Поступила в редакцию 1.03.2014 г.
Рассмотрены особенности формирования месторождений питьевых подземных вод в зоне, нарушенной горными работами. На характерных примерах проанализированы и систематизированы закономерности изменения химического состава подземных вод. Показано, что после завершения горнодобычной деятельности возможность использования подземных вод определяется как природными, так и горно-эксплуатационными факторами, в том числе типом полезного ископаемого, способом рекультивации нарушенной территории, конструкцией водозабора.
Ключевые слова: питьевые подземные воды, качество, месторождение, водный объект, добыча, полезные ископаемые, горные работы.
ВВЕДЕНИЕ
Месторождения подземных вод в отличие от месторождений твердых полезных ископаемых (МТПИ) представляют собой возобновляемый ресурс и являются динамической системой: эксплуатация месторождений подземных вод приводит к изменению существующих и образованию новых гидродинамических и гидрогеохимических условий, перераспределению балансовых составляющих системы, привлечению новых источников формирования эксплуатационных ресурсов месторождения [2, 3, 14].
Месторождения пресных подземных вод (МППВ) в зоне ведения горных работ постоянно существуют в условиях значительной перестройки балансовой структуры водоотбора: как в процессе горнодобычной деятельности, так и особенно после завершения отработки МТПИ. Для оценки возможности использования подземных вод в постэксплуатационный период проанализированы и систематизированы закономерности изменения и источники формирования подземных вод, в том числе их химического состава, на примере ряда водозаборов хозяйственно-питьевого назначения горно-складчатого Урала.
ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД ПРИ ДОБЫЧЕ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
Подземные воды, поступающие в горные выработки при разработке месторождений твердых полезных ископаемых, - попутное полезное ископаемое, которое может использоваться для водоснабжения, орошения, извлечения ценных компонентов, в бальнеологических целях [10, 15].
Возможность и целесообразность использования дренажных1 (карьерных и шахтных) вод при осушении месторождений определяется в процессе разработки дренажных мероприятий при подсчете балансовых запасов МТПИ. Наиболее успешный пример реализации такой практики -системы хозяйственно-питьевого водоснабжения, организованные в районе Курской магнитной аномалии, в Казахстане, Украине, а также на ряде МТПИ Уральского региона [8, 13, 15].
1 "Подземные дренажные воды" или "дренажные воды" -подземные воды, участвующие в обводнении месторождений твердых полезных ископаемых [10].
Возможность использования дренажных подземных вод для питьевых целей определяется санитарно-эпидемиологическими требованиями, которые предъявляются к источникам водоснабжения питьевого назначения санитарными нормами и правилами [5, 17, 18]. При этом вводится одно из существенных ограничений - необходимость организации зоны санитарной охраны (ЗСО) водозабора в составе трех поясов для обеспечения защиты от микробного и химического загрязнения на весь период его эксплуатации, причем в пределах ЗСО запрещено размещение объектов, обусловливающих опасность микробного и химического загрязнения подземных вод, в том числе закачка отработанных вод в подземные горизонты, подземное складирование твердых отходов и разработка недр [18]. Для выполнения этого требования в процессе отработки МТПИ необходимо обеспечить управление гидродинамическим режимом территории таким образом, чтобы формирование областей питания питьевого водозабора происходило в пределах "чистых" территорий. Этого можно достичь при использовании внешних систем осушения, расположенных вне горных выработок шахт и карьеров (законтурные водопо-низительные системы скважин с поверхности или подземные дренажные устройства); автономных каптажей в подземных горных выработках, не связанных с внутришахтным водоотливом. При этом формирование подземных вод происходит за пределами возможного влияния источников загрязнения, в том числе без взаимодействия подземных вод с осушенной частью рудной толщи, что позволяет избежать значительного ухудшения качества дренажных вод, например, в результате окисления тяжелых металлов в условиях свободного доступа кислорода.
Схема осушения в процессе отработки МТПИ изменяется вслед за развитием горных работ так же, как и санитарно-экологическая обстановка в пределах дренируемой территории, в частности, в результате создания отвалов некондиционных руд, засыпки отработанных карьеров и т.п. Наиболее значительные изменения горнотехнических условий происходят каждые 12-15 лет [13], продолжительность эксплуатации МТПИ обычно значительно превышает этот срок, поэтому необходим мониторинг подземных вод для переоценки эксплуатационных запасов дренажных подземных вод.
На постэксплуатационном этапе, после завершения отработки МТПИ, как правило, осуществляется мокрая консервация горнорудного объекта, что приводит к принципиальному перераспределению источников формирования эксплуатационных запасов месторождения под-
земных вод (их видов, количественного и качественного состава); изменению границ и площади месторождения; образованию новых объектов загрязнения или вовлечению ранее образованных в область захвата. Тем не менее многие водозаборы продолжают эксплуатироваться, что определяется сложившейся в течение десятилетий инфраструктурой, в которой месторождения подземных вод (до консервации рудника - дренажных) являются важной составляющей системы водоснабжения. Для обоснования возможности их использования в качестве источника питьевого водоснабжения должны выполняться специальные работы, в результате которых перераспределяются или сокращаются нагрузки, создаются системы водоподго-товки и барражного (защитного) водоотлива.
ОПЫТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД ДЛЯ ПИТЬЕВОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ ПРИ ОТРАБОТКЕ И КОНСЕРВАЦИИ МТПИ
Большая часть месторождений полезных ископаемых Среднего Урала расположена в пределах горно-складчатого Урала. Отработка месторождений практически всегда происходит под защитой водопонизительных систем. Объемы извлечения подземных вод, сопровождающие добычу полезных ископаемых на горно-складчатом Урале, весьма значительны. Так, извлечение подземных вод (доля дренажного водоотлива) на территории Свердловской и Челябинской областей составляет около 20% от суммарного по России, при этом добыча подземных вод - меньше 4% от суммарной. При осушении МТПИ на территории Свердловской обл. извлекается в 2 раза больше подземных вод, чем добывается для хозяйственно-питьевых нужд, при этом практически вся дренажная вода (больше 90%) сбрасывается без использования [8].
Несмотря на это, дренажные подземные воды -это важная часть водохозяйственного баланса Свердловской обл., их использование более широко распространено для производственно-технического водоснабжения, поскольку в этом случае особые требования к качеству воды обычно не предъявляются. В Свердловской обл. эксплуатируется около 60 водопонизительных систем, из них 12 месторождений дренажных подземных вод с утвержденными запасами около 80 тыс.м3/сут. Наибольшее количество подземных вод при ведении горнодобывающих работ извлекается в Свердловской обл. на Североуральском бокситовом руднике (353 тыс.м3/сут), Березовском золоторудном месторождении (41 тыс.м3/сут), Высокогорском железорудном месторождении (34 тыс.м3/сут), Галкинском карьере известняков (30 тыс.м3/сут)
Рис. 1. Схема размещения месторождений питьевых подземных вод, запасы которых первоначально утверждались как попутное полезное ископаемое: 1 - границы субъектов РФ; 2-3 - границы бассейнов подземных вод (2 - первого, 3 - второго порядка); 4-8 - бассейны подземных вод первого порядка и их индексы (4 - Восточно-Русский артезианский бассейн, 5 -Предуральский предгорный артезианский бассейн, 6 - Западно-Сибирский артезианский бассейн, 7 - Тимано-Печерский артезианский бассейн, 8 - Большеуральская гидрогеологическая складчатая область); 9-11 - бассейны подземных вод второго порядка и их индексы (гидрогеологические складчатые области: 9 - Северо-Уральская, 10 - Среднеуральская, 11 - ЮжноУральская); 12 - месторождение (номер в соответствии с табл. 1).
Таблица 1. Месторождения питьевых подземных вод, запасы которых первоначально утверждались как попутное полезное ископаемое
№ пп Наименование МППВ Наименование МТПИ Запасы Фактическое использование для ХПВ****, тыс.м3/сут Примечание
количество, тыс.м3/сут категория инстанция и дата утверждения (в скобках -срок утверждения)
1 Кальинское Северо- 50.0 А ТКЗ* 36.2
Уральские 20.11.2001
бокситовые
2 Карпинское Богословское 11.0 А НТС *** 4.8
буроугольное 17.12.1962
3 Липовское Липовское 13.8 А ТКЗ 9.3 Ранее утвер-
никелевое 11.03.2002 ждены ГКЗ**
15.09.78
4 Полдневское Троицко- 12.6 А ТКЗ 11.3 Ранее утвер-
Байновское 12.11.2002 ждены ГКЗ
огнеупорных (12 лет) 18.02.1971
глин
5 Черемшан- Черемшан- 8.2 А НТС 9.3
ское ское никеле- 1977
вое
1 г >5* грТЛГЧ ^ ГЧТЛГ\ ^ ^ ^ т ТТ /~Л
Примечание. ТКЗ - территориальная комиссия по запасам; 1КЗ - государственная комиссия по запасам, НТС - научно-технический совет; ****ХПВ - хозяйственно-питьевое водоснабжение.
и на Агаповском карьере известняков в Челябинской обл. (64 тыс.м3/сут).
Для питьевых целей в настоящее время эксплуатируется несколько МППВ, запасы которых первоначально утверждались в схеме водоотлива горнорудного предприятия как попутное полезное ископаемое (рис. 1, табл. 1).
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.