Введение к работе
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.
