4 Введение
Актуальность проблемы. Месторождения Ангарской железорудной провинции являются железо-сырьевой базой Восточной Сибири. В настоящее время ведется разработка Коршуновского, Рудногорского и Татьянинского месторождений. Добыча руды производится открытым способом с глубиной карьеров до 300 м и более. Проведена детальная разведка Капаевского, Краснояровского, Нерюндинского и Поливского месторождений. Карьерная разработка месторождений вызывает весьма значительные нарушения естественной, в частности геологической среды. Особенно это касается гидрогеологической обстановки районов эксплуатируемых месторождений, где сильно изменяется гидродинамический режим и резко ухудшается качество поверхностных и подземных вод. Опыт эксплуатации показывает, что изменение гидрогеологических условий определяется, прежде всего, начальной структурно-гидрогеологической обстановкой, способом разработки и масштабом горных работ.
Отсутствие перспективы перехода в ближайшие десятилетия на безотходную технологию разработки месторождений и обогащения руд, а также неизбежность глубокого водопонижения обусловливают необходимость наиболее оптимальных и экономически выгодных способов защиты природных вод от истощения и загрязнения.
В связи с этим изучение особенностей гидрогеологических условий железорудных месторождений Ангарской провинции, уточнение закономерностей , изменения гидродинамической обстановки, истощения и загрязнения подземных вод в процессе горных работ, а также совершенствование методик прогноза и предотвращение негативных явлений на основе мониторинга представляется современным актуальным направлением исследований.
Цель работы. На основе структурно-гидрогеологических закономерностей строения месторождений Ангарской железорудной провинции предложить решение проблемы защиты природных вод от истощения и загрязнения в процессе горнодобывающих работ.
5 Основные задачи исследований.
1. Анализ структурно-гидрогеологических условий наиболее крупных месторождений железа Ангарской провинции.
2. Изучение особенностей формирования ионно-солевого состава подземных вод железорудных месторождений.
3. Анализ изменения гидродинамических условий, истощения и загрязнения природных вод при эксплуатации месторождений.
4. Оценка условий природной защищенности подземных вод месторождений.
5. Разработка рекомендаций по организации мониторинга природных вод и природоохранных мероприятий при освоении месторождений Ангарской железорудной провинции.
Научная новизна. В результате проведенных исследований значительно уточнена роль геолого-структурных факторов в формировании коллекторских свойств горных пород, изменении гидрогеологических условий, проявляющемся в истощении и загрязнении подземных вод в районах горнодобывающих предприятий Ангарской железорудной провинции.
Выявлены закономерности взаимодействия подземных вод района месторождений с другими элементами экосистем.
Изучены процессы техногенного воздействия горных работ на подземные воды, их загрязнение, истощение, а также изменение фильтрационных свойств горных пород.
Дана оценка природной защищенности подземных вод районов крупнейших ^железорудных месторождений с целью максимальной их защиты от загрязнения и истощения. Приведены рекомендации по размещению объектов горных предприятий при освоении месторождений.
Разработаны рекомендации по организации мониторинга подземных вод и мероприятий по охране природной среды районов рассматриваемых месторождений.
Приведена характеристика состава и произведен расчет объемов предельно-допустимых сбросов загрязненных вод в р. Коршуниху, а также дана количественная оценка токсичности отходов производства.
6
Практическая значимость работы.
1. На основе детального изучения гидрогеологических условий железорудных месторождений провинции выявлены закономерности техногенного изменения качества подземных и поверхностных вод в процессе горнодобывающих работ, влияние на природные воды карьерных отвалов и хвостохранилищ обогатительных фабрик.
2. Установлено влияние бытовых и промышленных стоков, отходов обогащения, а также атмосферного загрязнения на качество поверхностных и подземных вод.
3. Дана оценка природной защищенности подземных вод от загрязнения и составлены соответствующие карты основных железорудных месторождений.
4. Разработаны и рекомендованы к внедрению в практику мероприятия по улучшению качества поверхностных и подземных вод в районах рассматриваемых месторождений.
Апробация работы. Основные положения предлагаемой диссертации были рассмотрены в докладах: на Всероссийских совещаниях в г. Томске (1993 г.), Екатеринбурге (1996 г.); международных симпозиумах, посвященных мониторингу природной среды (г. Москва, 1995 г.) и проблемам геологии и металлогении центральной Азии (г. Иркутск, 1995 г.); на годичной сессии Научного Совета РАН по проблемам геологии, инженерной геологии и гидрогеологии (г. Москва, 2004 г); на научно-практических конференциях (г. Иркутск, 1996-1998, 2004 гг.).
Всего по теме диссертации опубликовано 10 работ в общероссийских, региональных и областных изданиях. Защищаемые положения.
1. Источники, масштабы, качественный состав загрязнения и истощение запасов подземных вод в процессе отработки железорудных месторождений провинции определяются их структурно-гидрогеологическими особенностями.
2. Оценка защищенности подземных вод районов железорудных месторождений провинции является основой оптимизации комплекса мероприятий по их защите.
7
^ 3. Концептуальная схема мониторинга и комплекс природоохранных
мероприятий являются основным принципом эксплуатации месторождений железорудной провинции.
4. Степень загрязнения поверхностных и подземных вод района Коршуновского месторождения определяется объемами производственных стоков ГОКа и концентрацией в них загрязняющих веществ. Объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Содержит 140 страниц машинописного текста, 26 таблиц, 36 рисунков и 6 фотографий. Список литературы включает 114 наименований.
Работа выполнена на кафедре гидрогеологии и инженерной геологии
Иркутского государственного технического университета. В основу диссертации
положены материалы исследований автора гидрогеологических и
*^ геоэкологических условии пяти железорудных месторождении Ангарской
провинции.
Автор выражает глубочайшую признательность своему учителю и первому научному руководителю доктору геолого-минералогических наук профессору В.М. Степанову, научные разработки которого положены в основу диссертационной работы. Она выражает также большую благодарность сотрудникам кафедры доцентам Ю.Н. Диденкову, Л.И. Аузиной и М.А. Тугариной за практическую помощь и внимание при работе над диссертацией. Особую благодарность она lit приносит доценту И.И. Верхозину за активную помощь и поддержку на всех
стадиях подготовки диссертационной работы.
т
8 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ
1.1. ОСОБЕННОСТИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД РАЙОНОВ ГОРНОДОБЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЙ И СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ
ИХ ЗАЩИТЫ
Развитие рудодобывающей промышленности постоянно увеличивает прессинг на экологическое состояние природной среды, в частности это связано с тем, что в освоение вовлекаются объекты, имеющие сложные геологические, гидрогеологические и инженерно-геологические условия. К категории сложных относятся и железорудные месторождения Ангарской провинции Иркутской области, являющиеся минерально-сырьевой базой Западно-Сибирского металлургического комбината.
&- Провинция включает более 50 месторождений и рудопроявлений.
Коршуновское железорудное месторождение является самым крупным и отрабатывается открытым способом с 1965 года. Производственная мощность обогатительного комбината достигает более 14 млн. тонн сырой руды в год. Ведется эксплуатация Рудногорского и Татьянинского месторождений. Подготавливается к отработке Краснояровское месторождение. Проведена детальная разведка Нерюндинского, Капаевского и Поливского месторождений (рис. 1).
ц В конечном итоге, чрезмерное воздействие на окружающую среду в
процессе хозяйственной деятельности человека, связанной с разработкой месторождений, обогащением и переработкой полезных ископаемых, вызывают необратимые негативные последствия, в частности значительное изменение гидрогеологических условий осваиваемых территорий, что, в первую очередь, проявляется в загрязнении подземных вод и истощении их запасов.
Новые законы Российской Федерации регламентируют вопросы использования и охраны подземных вод. В настоящее время отношения, связанные с изучением, использованием и охраной подземных вод регулируются двумя основными законами о внесении изменений и дополнений в Закон Российской Федерации «О недрах» и «Водным кодексом Российской Федерации», принятыми
^ государственной думой 8 февраля и 18 октября 1995 года соответственно.
ч
Масштаб 1:2 000 000
Рис.1. Обзорная карта района
Условные обозначения -#¦ Крупнейшие железорудные месторождения провинции
1- Коршуновское
2- Шестаковское
3- Рудногорское
4- Ждановское
5- Татьянинское
6- Пасмурное
7- Иреек-Касьяновское
8- Краснояровское
9- Кежемское
10- Материковское 11-Долоновское
12- Ермаковское
13- Тубинское
10
Кроме того, 19 декабря 1991 года Верховным Советом РСФСР принят закон «Об охране окружающей природной среды», в котором подземные воды рассматриваются как один из основных ее объектов, подлежащих охране и рациональному использованию.
Совершенно очевидно, что в связи с интенсивным развитием народного хозяйства и все возрастающей нагрузкой на природную среду и, в частности, подземные воды, возникла насущная необходимость их рационального использования и защиты от загрязнения и истощения. Особенно остро стоит вопрос о загрязнении пресных и слабосолоноватых подземных вод, являющихся в большинстве регионов единственным источником хозяйственно-питьевого водоснабжения.
Под загрязнением подземных вод автором понимаются любые изменения качества воды (ее физические, химические и биологические свойства) по сравнению с ее естественным, которые делают ее частично или полностью непригодной для использования. Критерием для оценки степени загрязнения подземных вод служат изменения ее органолептических показателей, нормы предельно допустимых концентраций отдельных компонентов и общей минерализации воды [21].
Неоспорима на современном этапе роль гидрогеохимии, которая рассматривает подземные воды как элемент экосистемы и изучает ее взаимоотношение с другими элементами экосистемы в естественных и нарушенных условиях. В настоящее время глубоко исследуются процессы техногенного воздействия на подземные воды и его последствия, разрабатываются принципы, методы и технические средства их защиты и реабилитации. Недооценка роли структурно-гидрогеологического фактора при эксплуатации рудных месторождений приводит к значительным негативным последствиям. К ним относятся катастрофическое увеличение минерализации и взвешенных веществ в подземных водах хозяйственно-питьевого назначения, обусловленное подтягиванием некондиционных (соленых) вод нижних водоносных горизонтов, вскрытием зон глубинных разломов и прорывом через карстовые полости пульпы хвосто- и шламохранилищ. Усугубляет обстановку значительное снижение уровней подземных вод в результате длительного осушения горных выработок,
11
вплоть до полной сработки отдельных водоносных горизонтов и комплексов. В этой связи роль структурно-гидрогеологического фактора для максимального снижения воздействия хозяйственной деятельности человека на подземные воды приобретает первостепенное значение. Автором работы он рассматривается как определяющий причины и масштаб негативного воздействия на
гидрогеологическую обстановку районов разрабатываемых железорудных месторождений Ангарской провинции.
Анализ и обобщение результатов проведенных исследований показывает, что загрязнение подземных вод носит, в основном, локальный характер, но проявляется практически повсеместно в районах горнодобывающих предприятий. Оно обусловливается загрязнением природной среды в целом - почв, поверхностных вод, атмосферы и др. Будучи загрязненными вследствие выбросов различных веществ антропогенного происхождения, эти среды становятся вторичными источниками загрязнения, влияющими на подземные воды. В свою очередь загрязнение подземных вод сказывается на качестве поверхностных вод в местах их разгрузки или сброса в реки и другие поверхностные водоемы. Но вместе с тем, воздействие загрязненных природных сред па подземные воды неизмеримо больше обратного воздействия их на эти среды. Эта взаимосвязь загрязнения подземных вод с другими элементами геосистемы имеет важное значение с точки зрения мониторинга качества первых, источниками их загрязнения, изучения самого процесса загрязнения и планирования охранных мероприятий.
Практика показывает, что длительная эксплуатация крупных месторождений полезных ископаемых сопровождается комплексом негативных гидрогеологических и инженерно-геологических явлений. Это проявляется в следующем: изменяются условия питания, движения и разгрузки подземных вод, вызывающие нередко формирование глубоких и достаточно больших по площади депрессионных воронок, подсекающих все гидрогеологические подразделения и распространяющихся на десятки километров; образуются многочисленные оползни, осыпи и обвалы; активизируются суффозионные и карстовые процессы и
др.
Важным фактором загрязнения подземных вод являются выбросы отходов горнопромышленных предприятий в атмосферу. В отличие от локального
12
интенсивного загрязнения подземных вод непосредственно на участке горного предприятия, загрязнение атмосферы приводит к загрязнению грунтовых вод на значительно больших площадях, хотя и с меньшей степенью интенсивности. С загрязнением атмосферы связано возникновение нового искусственного регионального гидрохимического фона грунтовых вод, обусловленного содержанием различных загрязняющих компонентов в атмосферных осадках. Например, исследования, проведенные в районе карьера Лебединского ГОКа показали, что увеличение концентрации нитритов до 39-45 мг/дм3 (при допустимом - 44 мг/дм ) в подземных водах обусловлено растворением взрывчатых веществ, применяемых при буровзрывных работах и переносимых на значительные расстояния [69].
Однако, максимальное загрязнение подземных-вод.происходит- на-участках расположения хвостохранилищ и отвалов. Именно они являются основными источниками их загрязнения в районах горнодобывающих предприятий. На участках крупных хвостохранилищ площадь загрязненных подземных вод исчисляется многими десятками квадратных километров. В районе Лебединского ГОКа крупным источником пополнения запасов подземных вод является инфильтрация из гидроотвала «Березовый Лог» - до 1200-1500 м3/год и хвостохранилища Чуфичева балка - до 4000 м3/год. На Коршуновском железорудном месторождении величина фильтрации из хвостохранилища Сухой Лог составляет 1200-1500 м3/час, достигая в периоды катастрофических прорывов через карстовые полости 25000 м7час. Создание и эксплуатация хвостохранилища в Криворожском угольном бассейне обусловливает увеличение минерализации подземных вод четвертичных и неогеновых отложений. Организация отвалов Шевченковского карьера марганцевых руд привела к образованию нового водоносного горизонта с установившимся уровнем подземных вод на отметке +14,0 м. На Коршуновском железорудном месторождении в результате выщелачивания атмосферными осадками отвальных масс происходит увеличение минерализации грунтовых вод и обогащение их азотистыми соединениями [5, 69, 73, 74, 99].
Загрязнение подземных вод и его распространение по водоносному горизонту или зоне трещиноватости интенсифицируется в условиях
13
концентрированного отбора подземных вод. Развивающиеся воронки депрессии способствуют инфильтрации загрязняющих веществ с поверхности земли и подтягиванию к водозаборам загрязненных и минерализованных подземных вод. Чем больше сработка запасов подземных вод и снижение их уровней, тем более благоприятные условия создаются для проникновения в них загрязняющих веществ.
Примером возникновения подобной ситуации являются Коршуновское железорудное и Мирнинское алмазное месторождения. В процессе их эксплуатации происходит увеличение минерализации откачиваемых дренажных вод до 200 г/дм3, вследствие подтягивания к скважинам систем водоснабжения высокоминерализованных вод кембрийских отложений, залегающих на глубинах 700-1000 метров.
В связи с общим экологическим кризисом и вовлечением в эксплуатацию месторождений со все более сложными гидрогеологическими и инженерно-геологическими условиями стала актуальной проблема оптимального взаимодействия горного производства и окружающей природной среды. Причем, как показывает печальный опыт, ликвидация уже существующего загрязнения подземных вод представляет большие технические трудности и требует больших материальных затрат, чем его предотвращение. В этой связи наиболее рациональным представляется учет природно-экологических обстановок подготавливаемых к освоению территорий.. На первое место в проблеме охраны подземных вод выступают профилактические мероприятия, целью которых является предупреждение загрязнения и ограничение его масштабов. Эти меры являются главными в общей концепции защиты подземных вод от загрязнения и истощения. В основе ее, по убеждению автора, должен лежать структурно-гидрогеологический фактор, определяющий степень природной защищенности подземных вод. Кроме того, в условиях интенсивного техногенного воздействия охрана подземных вод должна основываться на строгом соблюдении соответствующих законодательств и норм. Это прежде всего максимально обоснованное целенаправленное размещение поверхностных накопителей промышленных отходов в хвосто- и шламохранилищах, рассолосборников и отвалов пустых пород, которые обеспечивают до 70-80% всех загрязнений [106].
14
При уже проявившемся загрязнении подземных вод наиболее активной мерой является ликвидация источника загрязнения (сброс стоков в резервную емкость) и его локализация. В этом случае применяются противофильтрационные завесы (ПФЗ), которые выполняются в виде траншей, заполняемых слабопроницаемым материалом (глина, глино-цемент, бетон и др.) на всю мощность зоны аэрации до относительно слабопроницаемых отложений в основании. Освоенная глубина сооружения грунтовых барражей достигает 50 м [43]. Наиболее эффективным является их применение наряду со специальными водопоглощающими и водозаборными сооружениями (гидрозавесы, дренажи и
ДР-)-
Дренаж предполагает обычно проходку рядов откачивающих скважин в пределах зоны загрязненных подземных вод (как правило, нормально направлению Щ миграции) для их перехвата и возврата в накопители. Загрязненные воды, в
отдельных случаях, могут использоваться для оборотного водоснабжения, сбрасываться, в гидросеть при предварительном разбавлении или закачиваться в нижележащие пласты.
Гидрозавесы используются для создания гидродинамического барьера на пути миграции загрязнений. Это могут быть как гидрозавесы траншейного типа, так и нагнетательные скважины, сооруженные вниз по потоку загрязненных вод с последующей закачкой в них чистой воды для создания искусственного водораздела на пути миграции загрязнений. Возможно сочетание нагнетательных скважин с откачивающими, которые располагаются ниже по потоку от ореола загрязнения. Откачиваемая вода при этом подается в скважины гидрозавесы.
Однако, следует отметить, что ни гидрозавесы, ни комбинированные методы не нашли широкого применения на практике. Наиболее часто используются глубокие противофильтрационные завесы инъекционного типа, сооружаемые на глубины в сотни метров путем закачки в пласты (в основном, трещиноватые породы) тампонажных смесей под давлением. Для пресных, слабоминерализованных и неагрессивных стоков используются цементные и глиноцементные гидрозавесы; для агрессивных высокоминерализованных стоков -это завесы на грунтовой основе с различными добавками, способствующими «схватыванию» раствора. Такая инъекционная завеса глубиной 400 м и
* 65].
15 протяженностью 3,5 км проектируется на карьере алмазной трубки «Мир» [53, 54,
В случае откачки естественных некондиционных вод с повышенной минерализацией (месторождения алмазов в Якутии, железорудные месторождения Ангарской провинции, Южно-Белозерское месторождение железа и др.) наиболее рациональным является их подземное захоронение. Этот метод эффективно используется на алмазных месторождениях Якутии, где закачка рассолов с минерализацией свыше 300 г/дм"" осуществляется в нижележащие известняки, доломиты и мергели. Коэффициент фильтрации толщи достигает десятых долей метров в сутки, однако, в результате растворения льда рассолами приемистость пласта возрастает до 3-4%. Объем закачки достигает 40 м7час или 1000 м7сут. Подобные попытки захоронения рассолов с минерализацией 200 г/дм3 предпринимаются и на Коршуновском железорудном месторождении.
Наряду с подземным захоронением в случае пресных и слабоминерализованных дренажных вод широко используется их утилизация. Восстановление качества подземных вод в пределах ореола загрязнения в естественных условиях достигается искусственными методами путем откачки загрязненных подземных вод или закачки в водоносные пласты растворов, содержащих нейтрализующие химические компоненты или микроорганизмы. В противном случае, восстановление качества загрязненных подземных вод может затянуться на 15-25 лет и более.
Однако успешное осуществление любых водоохранных мероприятий возможно только на базе хорошо организованного мониторинга подземных вод осваиваемых территорий, совершенствования принципов проектирования и контроля за горнодобывающими предприятиями и максимального учета природных условий защищенности подземных вод. На примере крупнейшего Коршуновского месторождения провинции автором дан анализ причин отрицательного изменения гидрогеологических условий территории и загрязнения подземных вод в процессе его пксплуаташш. Выявление и тщательное изучение причин таких изменений позволят в дальнейшем максимально снизить негативное воздействие на подземные воды при разработке других подобных месторождений Ангарской провинции.
16
1.2. ОБЗОР ИЗУЧЕННОСТИ АНГАРСКОЙ ЖЕЛЕЗОРУДНОЙ ПРОВИНЦИИ
Первые сведения о месторождениях железа Ангаро-Илимского района появляются в первой половине XIX века. В 1844 г. И.О. Козицкий сделал первое геологическое описание района р. Ангары ниже села Братска и долины р. Илим ниже села Илимска. К этому же периоду относится открытие в рассматриваемом районе Ермаковского (1832 г.), Кежсмского (1842 г.) и Долоновского (1845 г.) месторождений железа, на рудной базе которых в 1847 г. был построен Николаевский железоделательный завод [84, 85].
В 1883 г. И.Д. Черским были сделаны дополнительные геологические исследования долины р. Ангары на участке между Братским и Падунским порогами. К этому времени были обнаружены Краснояровское, Седановское, Иреек-Касьяновское, Коршуновское и Шестаковское месторождения, на базе руд которых в 1894 г. был построен Лучихинский металлургический завод (рис. 1). Как Николаевский, так и Лучихинский заводы с.перерывами работали до 1923 г. За весь период своего действия заводами были выплавлены более ста тысяч тонн чугуна и переработаны при этом около двухсот тысяч тонн руды. Последняя добывалась на Долоновском, Кежемском, Краснояровском и Ермаковском месторождениях. В литературе имеются сведения о пробной плавке железных руд Коршуновского месторождения.
В 1917 г. среднее и нижнее течение реки Ангары, а впоследствии и Тунгусский бассейн исследовал СВ. Обручев [61, 62]. В своих работах он дает анализ ранее проведенных исследований, а также приводит описание пликативных (Падунская и Седановская антиклинали) и дизъюктивных дислокаций, и 15 железорудных месторождений района. Прекрасную петролого-минералогическую характеристику Ангарской группы месторождений лает в своей работе С.А. Докторович-Гребницкий, изучавший в 1920 г. месторождения бывшего Николаевского завода [23. 44].
С 1920 г. до 1930 г. на территории Ангаро-Илимского рудного района геологические работы не проводились. В 1930 г. начались систематические геологические исследования всей площади Ангаро-Илимского района.
17
Одновременно с геолого-съемочными работами на ряде железорудных месторождений проводились геолого-разведочные, поисковые,
магнитометрические и топографические работы. В итоге комплексного изучения района были открыты новые железорудные месторождения: Рудногорское, Тубинское и Горелая Сопка. Дана промышленная оценка Ангаро-Илимской железорудной провинции, запасы которой оценивались в сотни миллионов тонн.
По результатам исследований Г.Ф. Крашенинниковым была составлена первая геологическая карта района полумиллионного масштаба и дано подробное описание геологического строения в работе «Геология Ангаро-Илимского района» [44].
Позднее, вплоть до 1947 г., геологические исследования на площади Ангаро-Илимской железорудной провинции не проводились. С 1947 г. Восточно-Сибирское геологическое управление проводит в районе поисково-съемочные работы, которые возглавил М.М. Одинцов. В 1949 г. возобновлены детальные разведочные работы на Рудногорском и Тубинском, а годом позже на Краснояровском, «Горелая Сопка» и Кежемском месторождениях. На основании большого фактического материала Г.В. Росляковым, М.А. Иващенко, Л.Г. Страховым и другими был сделан вывод о связи месторождений железа с вулканическими трубками. Ими были изучены условия залегания рудных тел, их морфология, вещественный состав и генезис месторождений [93-95].
Региональные геологические исследования на территории южной части Сибирской платформы, проведенные в 1949-52 гг. Институтом Геологических наук .АН СССР под руководством П.Е. Оффмана, привели к открытию целого ряда вулканических трубок, аналогичных Ангаро-Илимским [66]. По мнению П.Е. Оффмана, магнетитовое оруденение приурочено, в основном, к зоне сочленения Тунгусской синклинали с окружающими ее антиклиналями.
Первые гидрогеологические исследования проводились в связи с проектированием в 1955 г. Коршуновского ГОКа. В 1957-60 гг. различными организациями был выполнен значительный комплекс гидрогеологических и инженерно-геологических изысканий, в том числе буровые и опытные работы для выбора створов плотин водохранилищ, хвостохранилиша, трасс водоводов в долинах рек Коршунихи и Рассохи. |
