Поиск

Полнотекстовый поиск:
Где искать:
везде
только в названии
только в тексте
Выводить:
описание
слова в тексте
только заголовок

Рекомендуем ознакомиться

'Документ'
У цьому переліку термін "основна діяльність залізничного транспорту" означає діяльність усіх взаємозв'язаних у межах єдиного виробничо-техн...полностью>>
'Документ'
Объем экспорта зерна в 2005/06 сельскохозяйственном году составил более 12,5 млн тонн, так как в истекшем сезоне конъюнктура внутреннего зернового ры...полностью>>
'Документ'
Защита диссертации состоится « » 200 года в 11 часов на заседании диссертационного совета Д.001.012.01 в Учреждении Российской академии медицинских н...полностью>>
'Пояснительная записка'
Программа «Изобразительное искусство» для 5—9 классов соответствует Федеральному государственному образовательному стандарту основного общего образов...полностью>>

Техногенная трансформация геологической среды верхнекамского соленосного бассейна

Главная > Автореферат
Сохрани ссылку в одной из сетей:

На правах рукописи

БЕЛКИН Владимир Викторович

ТЕХНОГЕННАЯ ТРАНСФОРМАЦИЯ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ

ВЕРХНЕКАМСКОГО СОЛЕНОСНОГО БАССЕЙНА

Специальность 25.00.36 – «Геоэкология»

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

диссертации на соискание ученой степени

доктора геолого-минералогических наук

Екатеринбург – 2010


Работа выполнена в Березниковском филиале Пермского государственного технического университета.

Научный консультант: доктор геолого-минералогических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ Грязнов Олег Николаевич

Официальные оппоненты:

Грабовников Валерий Аркадьевич - доктор геолого-минералогических наук, профессор

Свидзинский Сергей Александрович - доктор геолого- ­­­минералогических наук

Филатов Владимир Викторович - доктор геолого- ­­­минералогических наук, профессор

Ведущее предприятие: Всероссийский научно-исследовательский институт минерального сырья им.Н.М. Федоровского (ВИМС) МПР РФ

Защита диссертации состоится 15 апреля 2010 г. на заседании диссертационного совета Д 212.280.01 при ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» по адресу: 620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30 (III уч. корпус, ауд. 3326)

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет».

Автореферат разослан «___» ___________ 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета А.Б. Макаров



ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТ

Актуальность проблемы. Проблема безопасного недропользования является в современном индустриальном обществе как никогда актуальной. Деятельность человека, связанная с влиянием на геологическую среду, приобрела масштабы, в значительной мере сопоставимые с действием региональных природных процессов. Длительное антропогенное воздействие на нее зачастую может приводить к нарушению достигнутого природного равновесия. При этом влияние различных техногенных факторов на геологическую среду имеет наступательный, прогрессирующий характер и его результаты являются многосторонними, охватывая и другие компоненты окружающей среды (реки, озера, почву, рельеф, атмосферу и др.).

Наиболее важным негативным последствием работы калийных рудников является их труднопрогнозируемое техногенное затопление. В мире затоплено уже более 50 калийных рудников. Другим последствием является то, что все возрастающие объемы выработанного пространства, приводящие к изменению напряженно-деформированного состояния породных массивов, увеличению техногенной нагрузки на недра, провоцируют в горнодобывающих регионах техногенные землетрясения.

Оценка техногенного влияния на недра невозможна без наличия различных по масштабу целенаправленных наблюдений за объектами геологической среды, на основе результатов которых и могут быть установлены тенденции развития различных инженерно - геологических процессов, вскрыт их механизм и разработаны способы управления ими.

В данной диссертационной работе рассматриваются эколого-геологические условия Верхнекамского соленосного бассейна (ВКСБ), приводятся теоретические и методические основы мониторинга его геологической среды с целью разработки мероприятий по его охране и рациональному комплексному использованию.

Основная идея работы – техногенные факторы влияют на рациональную и безопасную эксплуатацию месторождений Верхнекамского соленосного бассейна. Поэтому для учета этого влияния необходимо их всестороннее изучение.

Объектами исследований в данной работе послужили как разрабатываемые участки ВКСБ, так и участки, подготавливаемые к разработке.

Цель исследований – изучение и оценка эколого-геологических условий Верхнекамского соленосного бассейна.

Задачи исследований: 1) оценка масштабов техногенного воздействия на геологическую среду соленосных бассейнов, оказываемого в процессе добычи и переработки калийных руд, регистрация зон аномального строения и состояния массивов горных пород в процессе геологического доизучения и мониторинга геологической среды; 2) определение фоновых характеристик состояния геологической и сопредельных сред до начала эксплуатации соляных месторождений; 3) разработка способов ведения мониторинга геологической среды эксплуатируемых соляных месторождений и обоснование необходимого комплекса исследований; 4) выявление методов рационального использования георесурсов соленосных бассейнов при соблюдении мер охраны подрабатываемых объектов и защиты калийных рудников от затопления, повышение комплексности использования добываемого сырья.

Фактический материал и личный вклад автора. В основу диссертационной работы положен материал, полученный лично автором или под руководством автора сотрудниками Центра мониторинга геологической среды и геологических служб различных калийных предприятий, работающих в ВКСБ и обработанный им в процессе работы по совместительству в Березниковском филиале Пермского государственного технического университета (с 1992 г. по настоящее время).

Основные исследования выполнялись в рамках проектов: «Мониторинг геологической среды Верхнекамского солеродного бассейна». Проект работ на 1998-2002 гг. Государственный регистрационный № 48-98-22. Березники,1997; «Мониторинг геологической среды южной части Верхнекамского соленосного бассейна». Проект работ на 2003 – 2007 гг. Государственный регистрационный № 48-03-58 Березники, 2002; «Разведка Палашерского и Балахонцевского участков Верхнекамского месторождения калийно-магниевых солей». Проект работ на 2008 – 2009 гг. Государственный регистрационный № 57-08-74. Березники, 2008. Работы выполнялись в соответствии с геологическими заданиями, согласованными с Управлением по недропользованию по Пермскому краю.

Основной фактический материал получен при ведении мониторинга геологической среды на разрабатываемых шахтных полях ВКСБ. Кроме того, автор участвовал в работах по определению фонового состояния геологической и сопредельных сред на подготовленных к разработке участках детальной разведки Верхнекамского калийного месторождения.

Автор непосредственно участвовал в проведении наземных и подземных исследований эколого-геологического состояния ВКСБ и обработке полученных результатов. Диссертантом сформулированы методические основы и принципы ведения мониторинга геологической и сопредельных сред на калийных рудниках, разработана и внедрена на территории соленосного бассейна методика скважинных наблюдений за гидрогеодеформационным и газовым полем, предложен способ определения фоновых характеристик состояния геологической и сопредельных сред до начала эксплуатации соляных месторождений. При активном участии автора выявлено месторождение экологически чистой пищевой соли, обнаружено новое полезное ископаемое – золото в глинистых прослоях соляной толщи, обоснован состав смеси компонентов искусственной морской воды для плавательных бассейнов, на отдельных участках ВКСБ выявлены зоны с аномальным строением водозащитной толщи.

Методы исследований. При проведении исследований использованы методы:

- анализа состояния геологической среды, в т.ч. геолого-структурных особенностей горных массивов на разных масштабных уровнях;

- проходки разведочных горных выработок и скважин и натурных измерений в них;

- комплексного анализа геологических, гидрогеологических, гидрологических, геофизических, маркшейдерских и геомеханических данных с использованием ГИС-технологий.

Научная новизна:

- оценены эколого-геологические условия разработки месторождений Верхнекамского соленосного бассейна;

- разработана, запатентована и внедрена методика получения и обработки информации, касающейся фонового состояния и последующего мониторинга геологической среды на калийных рудниках;

- впервые предложен и внедрен на калийных рудниках новый метод наблюдений – одновременно за гидрогеодеформационным полем Земли и состоянием газовой атмосферы в кровле соляной толщи;

- впервые обоснован и внедрен способ получения смеси природных минералов галита и карналлита, перемешанных в соотношении 1: 2,5–5,0 для получения искусственной морской воды в бассейнах;

- на отдельных участках ВКСБ выявлены зоны с аномальным строением водозащитной толщи (ВЗТ).

Практическая значимость:

- в «Инструкцию по геологическому обслуживанию калийных рудников» (СПб,2002) включен написанный автором раздел «Мониторинг геологической среды» и на его основе внедрены в практику мониторинговые исследования;

- открыто в пределах ВКСБ месторождение экологически чистой пищевой поваренной соли, разработан способ отработки месторождения, что позволило получить миллионы тонн экологически чистой пищевой соли;

- ООО «СВ» (г. Москва) реализуют смесь природных минералов галита и карналлита в соотношении 1:2,5–5,0 для получения искусственной морской воды в бассейнах в расфасовке по 1 и 50 кг;

- в прослоях глины в пределах соляной толщи ВКСБ выявлено новое полезное ископаемое – золото. Горным институтом УрО РАН ( г. Пермь) проводятся опытные испытания по его извлечению.

Защищаемые положения.

1. Длительное техногенное воздействие на геологическую среду соленосных бассейнов, оказываемое в процессе добычи и переработки калийных руд, приводит к нарушению ее устойчивости, сопровождаемому возрастающей сейсмичностью калийдобывающих регионов, проявлением оседаний земной поверхности, прорывами подземных вод в горные выработки и затоплением калийных рудников, образованием провалов на месте их затопления. При этом добыча нефти из подсолевых отложений усиливает проявление негативных процессов. Зоны аномального строения и состояния массивов горных пород регистрируются в процессе доизучения геологической среды (главы 1,2).

2. Фоновые характеристики состояния геологической и сопредельных сред изучаются до начала эксплуатации соляных месторождений. Исследования включают: уточнение строения калийных пластов, оценку гидрогеологических условий их разработки, выявление природы геофизических аномалий, оценку состояния атмосферного воздуха, качество поверхностных и подземных вод, загрязнения снежного и почвенного покровов, величины радиационного фона, состояния флоры и фауны (глава 3).

3. Мониторинг геологической среды эксплуатируемых соляных месторождений осуществляется комплексом исследований, включающим дистанционное зондирование, инструментальные наблюдения за сдвижением земной поверхности, выявление связи ее деформаций с объемами добытой руды, ведение сейсмологического контроля, проведение сейсмо-, электро-, гравиразведки на участках с аномальным строением водозащитной толщи, регистрацию гидродинамического, гидрогеохимического и газового режима подземных вод (глава 4).

4. Рациональное использование георесурсов соленосных бассейнов обеспечивается соблюдением мер охраны подрабатываемых объектов и защиты калийных рудников от затопления, комплексным использованием добываемого сырья с получением, кроме удобрений экологически чистой пищевой соли, смеси компонентов искусственной морской воды, приближенной по составу к воде Мертвого моря, золота, извлеченного из глинистых отходов калийного производства (глава 5).

Апробация работы. Основные положения работы доложены и обсуждены на ряде всероссийских и международных научных конференций и совещаний, в том числе: на Международной конференции «Проблемы безопасности и совершенствования горных работ («Мельниковские чтения»)» (Москва-Санкт-Петербург, 1999), Международной конференции « Геодинамика и напряженное состояние земных недр» (Новосибирск, 1999), Первом Всероссийском совещании по мониторингу геологической среды на объектах горнодобывающей промышленности (Березники, 1999), Региональной конференции «Геология и минерально-сырьевые ресурсы Европейской территории России и Урала» (Екатеринбург, 2000), Всероссийском съезде геологов и научно-практической геологической конференции (Санкт-Петербург, 2000), Координационном совете по защите калийных рудников от затопления (г. Березники, 22. 10. 2001 г.), Международном научном совещании «Техногенная сейсмичность при горных работах: модели очагов, прогноз, профилактика» (Апатиты, 2004), Международной научной конференции «Эколого-экономические проблемы освоения минерально-сырьевых ресурсов» (Пермь, 2005), Региональной научно-практической конференции «Геология и полезные ископаемые Западного Урала» (Пермь, 2008), Международной конференции «Комбинированная геотехнология: комплексное освоение и сохранение недр Земли» (Екатеринбург, 2009).

Публикации. Содержание работы и результаты исследований отражены в 82 работах, в том числе двух монографиях, 67 публикациях в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, входящих в Перечень ВАК, в двух учебных пособиях для вузов, в десяти материалах конференций, изобретение «Способ отработки калийного месторождения под склонами речных долин» (патент РФ № 2186978) вошло в «Список 100 лучших изобретений России» за 2008 г., заняв второе место в номинации «Технологии экологически безопасной разработки месторождений и добычи полезных ископаемых».

Благодарности. Автор выражает благодарность научному консультанту, доктору геолого-минералогических наук, профессору, заслуженному деятелю науки РФ О.Н. Грязнову, а также докторам геолого-минералогических наук А.И. Кудряшову, Б.М. Осовецкому, А.П. Красавину, В.Н. Дублянскому, К.С. Иванову, докторам технических наук А.А. Баряху, В.И. Костицыну, Ю.П. Кудрявскому, заслуженному геологу РФ Н.В.Кузнецову за ценные консультации в процессе выполнения работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Общий объем работы – 280 страниц, иллюстраций - 38, таблиц - 25. Список использованных источников включает 187 наименований.

Во введении показаны актуальность исследований, цели и задачи работы, научная новизна и практическая значимость. В первой главе «Крупнейшие соленосные бассейны зарубежных стран» рассмотрено геологическое строение Саскачеванского месторождения калийных солей (Канада), месторождений калийных солей Германии и Старобинского месторождения калийных солей (Белоруссия). Показаны последствия техногенного воздействия на их геологическую среду и методы ее мониторинга. Во второй главе «Техногенез геологической среды при разработке калийных руд Верхнекамского соленосного бассейна» приводится описание геологического строения ВКСБ, раскрываются последствия многолетней добычи калийных руд подземным способом, такие как повышенная сейсмичность, оседания и провалы земной поверхности, описывается влияние добычи нефти на геологическую среду и даны результаты ее геологического доизучения и мониторинга. В третьей главе «Определение фоновых характеристик геологической и сопредельных сред» приводятся результаты изучения характеристик на одном из намечаемых к отработке участков ВКСБ: строение калийных пластов, гидрогеологические условия, природа геофизических аномалий, состояние атмосферного воздуха, качество поверхностных и подземных вод, загрязнение снежного и почвенного покровов, величина радиационного фона, состояние флоры и фауны. В четвертой главе «Мониторинг геологической среды Верхнекамского соленосного бассейна» рассмотрен оптимальный комплекс исследований, входящий в систему мониторинга. В пятой главе «Охрана недр и рациональное использование георесурсов Верхнекамского соленосного бассейна» предложены методы и способы комплексного использования добываемого сырья при обеспечении соблюдения мер охраны подрабатываемых объектов и защиты калийных рудников от затопления.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Длительное техногенное воздействие на геологическую среду соленосных бассейнов, оказываемое в процессе добычи и переработки калийных руд, приводит к нарушению ее устойчивости, сопровождаемому возрастающей сейсмичностью калийдобывающих регионов, проявлением оседаний земной поверхности, прорывами подземных вод в горные выработки и затоплением калийных рудников, образованием провалов на месте их затопления. При этом добыча нефти из подсолевых отложений усиливает проявление негативных процессов. Зоны аномального строения и состояния массивов горных пород регистрируются в процессе доизучения геологической среды (главы 1,2).

Природная среда является важнейшей составной частью окружающей среды, включающей в себя четыре главных компонента (Ферсман,1953) – стратосферу, тропосферу, гидросферу и литосферу. Три последние в этом ряду геосферы образуют (Вернадский, 1954) биосферу – сложную наружную оболочку Земли, среду обитания биоты – живого «вещества» планеты. Часть литосферы, а точнее земной коры, которая непосредственно выступает как минеральная основа биосферы, как один из важнейших компонентов окружающей среды, с конца 70-х гг. прошлого века выделяется под названием «геологическая среда». Согласно Е.М. Сергееву (1979), под геологической средой понимается верхняя часть литосферы, которая рассматривается как многокомпонентная динамическая система, находящаяся под воздействием инженерно-хозяйственной деятельности человека и, в свою очередь, в известной степени определяющая эту деятельность. Верхней границей геологической среды является поверхность рельефа (дневная поверхность); нижняя граница – плавающая, неоднородная и неодинаковая по глубине в разных областях Земли. Она определяется глубиной проникновения человека в земную кору (Королев, 1995).

В результате открытия в конце 50-х гг. минувшего столетия крупнейших месторождений калийных солей в провинциях Саскачеван и Нью-Брансуик Канада заняла лидирующее положение в мире по запасам, добыче и экспорту этого вида сырья. Месторождение Саскачеван входит в состав обширного среднедевонского бассейна эвапоритовой седиментации, так называемой синклинали Элк Пойнт Бродфью, вытянутого в северо-западном направлении субпараллельно юго-западной границе докембрийского Канадского кристаллического щита на расстояние более 1500 км при ширине, местами достигающей 400 км. В течение времени с силура до среднего девона этот бассейн был местом максимального погружения в Западной Канаде. Среднедевонское море, наступавшее сюда с юго-востока, распалось на несколько локальных бассейнов с ограниченной циркуляцией воды и эвапоритовым режимом осадконакопления. Калийный пласт на Саскачеванском месторождении размещается в толще 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. Наиболее острой проблемой калийных рудников во всем мире является их затопление. В Саскачеване из семнадцати стволов калийных шахт, пущенных в эксплуатацию, пять имели большие притоки воды или были полностью затоплены при их прохождении. Шесть из девяти рудников в провинции столкнулись с большими притоками воды на различных участках шахтных полей. В районе калийной залежи Esterhazy, в середине декабря 2006 г. зафиксированы первые признаки притока рассолов. По результатам исследований к третьей декаде января 2007 г. приток составлял от 20 до 25 тыс. галлонов (около 76–95 литров) в минуту. Другой проблемой калийных рудников является техногенная сейсмичность. До начала ведения горных работ, а также в течение первых 14 лет их ведения сейсмическая лаборатория Службы геологической съемки Канады (GSC) не фиксировала, например, в районе Esterhazy наличия сейсмической активности. Первое землетрясение силой 3,0 балла по шкале Рихтера произошло в районе шахты K-1 7 ноября 1976 года. Эпицентр находился над пройденными выработками, при осмотре которых не было выявлено никаких повреждений. Начиная с 1976 года вблизи обоих действующих рудников (К-1 и К-2) произошло несколько десятков землетрясений с максимальной силой 3,7 балла.

На калийных рудниках Германии основной объект разработок - хартзальц (твердая соль), сильвинсодержащая руда с высоким содержанием примесных сульфатов магния и кальция. Многочисленные месторождения калийных солей Германии связаны с цехштейновыми галогенными толщами, широко развитыми в пределах Северо-Германской низменности. Цехштейновый бассейн осадконакопления занимал огромную площадь от Северной Британии, захватывая Северное море, Нидерланды, Данию, значительную часть Германии и Польши.

К настоящему времени одна из самых насущных проблем калийной промышленности Германии - затопление десятков как действующих, так и строящихся рудников. В начальный период существования предприятий объем имеющейся информации о геолого-гидрогеологическом строении участков месторождений, вовлекавшихся в добычу, являлся недостаточным для установления причин прорывов рассолов и вод в выработки. В дальнейшем стали уменьшать степень извлечения руды из залежи, применять сухую и гидравлическую закладку отработанных камер. Но даже такие изменения в технологии не смогли сохранить рудники: «Фон дер Гейдт», «Мантейфель», «Агата», «Нейестассфурт III» и др. - от проникновения рассолов через ангидрит или тектонические нарушения. Принятая технология работ на рудниках: «Бернтероде», «Зольштадт», «Бисмарк - Галль - Бишоффероде», «Нейе-Блейхероде» - предотвращала интенсификацию развития водопроводящих каналов. Свыше 30 лет горные работы продолжались при непрекращающихся небольших притоках рассолов. Водопроявления на рудниках «Ренгардсбрунн» (Ганновер) и «Саксен-Веймар» (Вера-Фульда) возникали при вскрытии выработками зон тектонических нарушений. Развитие мониторинговых исследований в конце 20-х гг. прошлого века позволило разработать меры для каждого калиеносного района Германии, что привело к резкому сокращению катастрофических последствий. Рекомендовалось проводить очистные работы не ближе 200 м от соляного зеркала, не отрабатывать вторичные соли, оставлять защитные пачки соли в кровле камер под соленосной глиной или ангидритом, не соединять выработками смежные шахтные поля. При камерной системе разработки предусматривалась закладка отработанных камер.

На калийных рудниках Германии также применяются сейсмологические системы мониторинга, необходимые для контроля горных предприятий. В 1986 г., например, в Центральной Германии ими зафиксировано техногенное землетрясение, обусловленное добычей калийной соли, с магнитудой 5,4. Из других мониторинговых систем на рудниках Германии наиболее широко используют прямые методы определения состояния геологической среды. В первую очередь, это наблюдения за оседаниями земной поверхности на подработанных территориях. В связи с многочисленными случаями затопления калийных рудников здесь детально отработаны методы ведения гидрогеологического мониторинга.



Скачать документ

Похожие документы:

  1. Мониторинг и охрана геологической среды -8289

    Документ
    Bioremediation of sulphate rich mine effluents using grass cuttings and rumen fluid microorganisms / H. A. Greben, J. Baloyi, J. Sigama, S. N. Venter Journal of Geochemical Exploration.
  2. О. В. Семченко [разд. «В зеркале печати (публикации об институте)»]

    Библиографический указатель
    Библиографический указатель «Публикации сотрудников Горного института УрО РАН» посвящен 20-летию института. В нем представлен перечень публикаций почти всех сотрудников за период с 1988 по 2007 год в отечественной и зарубежной печати.
  3. Министерство природных ресурсов Российской Федерации открытое акционерное общество “башкиргеология”

    Книга
    На основе обобщения и анализа результатов геологических съемок и геофизических исследований разных масштабов, буровых работ, а также тематических исследований дана систематизированная характеристика осадочных, вулканогенно-осадочных
  4. М. Е. Киченко Вработе над отчетом приняли участие (1)

    Публичный отчет
    Киченко М.Е. – Аналитический обзор наиболее важных научно-технических достижений в области геологии и недропользования России (неметаллы), 149 стр.текста, библ.
  5. Программа социально-экономического развития пермского края на 2009-2012 годы и на период до 2017 года (1)

    Программа
    2.1.1.2.2.3.1.1. Предупреждение опасного поведения различных категорий участников дорожного движения, формирование законопослушного поведения и негативного отношения граждан к правонарушениям в сфере дорожного движения 56

Другие похожие документы..