5. Эколого-гидрогеологические аспекты закрытия угольных шахт             

Авторы: Матлак Е.С., Беляева Е.Л., Романова В.Ю.

Источник: сборник «Известия горного института», 2'2002

Современное состояние угольной про­мышленности Украины сложное, по ряду при­чин кризисное: шахтный фонд изношен, про­изводительность труда шахтеров невысокая (порядка 105 т/год-чел), конкурентоспособ­ность добываемого угля низкая. Сформирова­лась группа предприятий, которая в ходе даль­нейшей эксплуатации по горнотехническим условиям не может увеличить добычу, улуч­шить технико-экономические показатели и является убыточной.
Возрождение угольной промышленности связывается с ее реструктуризацией, которая включает закрытие убыточных шахт, строи­тельство новых, реконструкцию и техническое перевооружение действующих перспективных предприятий. Мировой опыт свидетельствует, что перестройка угольной отрасли — харак­терная особенность современной экономики угледобывающих стран. Для ряда развиваю­щихся стран (КНР, Индия, ЮАР), а также от­дельных развитых (США, Австралия) она свя­зана с наращиванием объемов добычи. Для многих же стран с развитой рыночной эконо­микой цель реструктуризации принципиально иная — снижение угледобычи за счет ликви­дации убыточных предприятий, работающих в тяжелых и опасных условиях.
Изучение опыта работы и реструктуриза­ции угольных отраслей стран Западной Евро­пы с развитой экономикой и государств, ос­ваивающих рыночные отношения, позволяет выделить направляющую тенденцию, общую как для отдельных групп стран, так и для ми­рового сообщества в целом, а именно, приори­тетное отношение к охране окружающей при­родной среды.
Проводимая в Украине реструктуризация горнодобывающей отрасли отличается тем, что не имеет аналогов ни в отечественной, ни в мировой практике, так как, во-первых, она ха­рактеризуется одновременным массовым за­крытием шахт, а, во-вторых, проводится, в ос­новном, в Донбассе, который (в соответствии с Концепцией улучшения экологической ситуа­ции в горнодобывающих регионах Украины, утвержденной Постановлением КМУ от 31 августа 1999 г. № 1606) относится к регионам с критическим состоянием окружающей при­родной среды, где экологические проблемы накапливались па протяжении длительного времени и приобрели необратимый характер. При этом следует констатировать, что ни один из компонентов природной среды не претерпел таких значительных изменений, как водные ресурсы. В это же время массовое закрытие убыточных шахт, соединенных, как правило, между собой, а также с соседними действую­щими шахтами горными выработками, а тем самым гидравлически, резко усилило эколого-гидрогеологические проблемы региона. Они оказались настолько острыми, что потребовали принятия специального Постановления КМУ от 12 января 1999 г. № 31 «О мероприятиях по решению эколого-гидрогеологических про­блем, которые возникают вследствие закрытия горнодобывающих предприятий, шахт и разре­зов».
К настоящему времени уже можно гово­рить об определенном этапе в процессе рест­руктуризации угольной отрасли, о его выводах и об опыте ликвидации угольных шахт.
Рассмотрим вопросы обеспечения гидро­экологической безопасности территорий в ок­рестности ликвидируемых шахт. Опыт пока­зал, что она напрямую зависит от метода за­крытия шахт. В настоящее время рассматри­ваются два альтернативных варианта консер­вации закрываемых шахт: «мокрый» и «су­хой». С 1999 г. ДонНТУ выполняет тему Н-6-99 «Исследование экологических аспектов проблемы и разработка рекомендаций по за­щите окружающей природной среды при рест­руктуризации угольной промышленности на территориях приоритетного развития Донецко-Макеевского района Донбасса».
Результаты выполненных исследований позволяют высказать следующие соображения

по вопросу выбора варианта консервации за­крываемых шахт.
Известно, что при переводе шахты на «мокрую» консервацию прекращается откачи­вание поступающей воды, и происходит по­степенное затопление подземных выработок, стволы засыпают, а надшахтные строения раз­бирают.
При снятии с эксплуатации угольной шах­ты по методу «сухой» консервации вода отка­чивается на поверхность и сбрасывается в вод­ные объекты. Имеет место неполное закрытие шахты, водоотлив работает, сохраняются ство­лы для откачивания воды и проветривания, а также подземные околоствольные выработки. Остальное шахтное пространство отгоражива­ется перемычками на неопределенное время.
Схема затопления ликвидируемого пред­приятия при переводе его на мокрую консер­вацию включает два периода: затопление вы­работанного пространства (продолжается не более двух-трех лет) и восстановление уровней подземных вод. Во втором периоде возможно подтопление земной поверхности в пределах влияния закрывающихся шахт. Оно ожидается в поймах рек на участках активизации вторич­ных процессов сдвижения пород из-за подъема уровней вод, на пологих склонах, на участках разгрузки подземных вод и т.п. Возникает волна дестабилизации режима уровней, а так­же химического состава подземных вод, а сле­довательно возникает новая региональная мо­дель формирования шахтных вод на современ­ном этапе. Ее физической основой является реабилитационная способность уровней под­земных вод к восстановлению своего природ-но-исторического положения в системе «водо­раздел — поименно-русловая рисковая зона». При этом изменяются факторы формирования шахтных вод, ухудшающие эколого-гидрогеологическую обстановку региона. К ним относятся:
- усиление взаимодействия поверхност­ных вод объектов (рек, прудов, родников и др.) с подземными водами прежде всего карбоно-вых горизонтов, из-за разрушения выработка­ми региональных водоупоров, увеличение проницаемости природного массива, наличие тектонических зон и др.;
- формирование зон просадок над выра­ботками с увеличением областей повышенной инфильтрации и активного дренирования под­земных вод;
- рост водонасыщения верхней зоны почв и грунтов вследствие сокращения депрес-сионных воронок и регионального повышения уровней подземных вод;
- повышение риска химического загряз­нения действующих водозаборов;
- риск активизации карстовых, оползне­вых процессов, горных ударов при смещении крупных блоков пород;
- накопление потенциальной энергии в затопленных выработках с формированием гидрогеомеханических напряжений и сниже­нием стойкости породных массивов (целиков, тектонических зон и др.);
- изменение путей миграции взрыво­опасных газов в направлении пространственно распространенных дрен (наблюдается ста­бильная тенденция прироста числа взрывов газов в последние годы вследствие увеличения соотношения за­крытых и действующих шахт).
Возникновение прогнозируемых процессов определяет экологическую опасность для ре­гионов, а также гидроопасность для соседних действующих горнодобывающих предприятий. Экологическая опасность для реципиентов обусловлена, во-первых, гидротеологически­ми, во-вторых, гидрохимическими и, в-третьих, инженерно-геологическими процес­сами в системе.
В первом случае речь идет о резком изме­нении гидрогеологических режимов рек, забо­лоченности и подтоплениях территорий на по­ниженных участках рельефа, что приводит обязательно к возникновению зон так назы­ваемого эколого-инженерно-геологического риска (впервые они возникли в городе Красно­доне при ликвидации шахт имени Тюленина и «Донецкая»). Прогнозируется, что в случае подъема уровней подземных вод при полном затоплении всех шахт, которые закрываются, до 20-30% территории угледобывающих рай­онов Донецкой области могут оказаться затоп­ленными.
Вторая группа процессов связана с техно­генным загрязнением почв, подземных по­верхностных вод вследствие сложного взаимо­действия техногенных химически опасных объектов и геологической среды. Происходит затопление минерализованной и грязной шахтной водой осушенных при эксплуатации шахт, водоносных горизонтов карбоновых и покровных отложений, значительная часть, которой является перспективной для органи­зации как местного, так и централизованного водоснабжения. Поскольку шахтные воды со­держат большое количество нефтепродуктов, фенолов, вредных и токсичных тяжелых ме-'галлов, то загрязняются огромные объемы горных пород. Эти процессы загрязнения яв­ляются практически необратимыми.
Третья группа процессов обусловлена ус­тойчивым нарушением равновесия в системе «вода — минеральный скелет пород» в зонах влияния затопления выработок с последую­щим изменением физико-механических, вод­но-физических, инженерно-сейсмологических и других свойств породного массива (их след­ствием являются техногенные движения и гео­динамические процессы). При этом возникают также негативные и зачастую необратимые процессы, такие как дополнительные просадки дневной поверхности, снижение механической прочности пород (вследствие их водонасыще­ния, разрушения региональных водоупоров), развитие гидромеханических нарушений и ударов, возникновение просадок, наклонов и смещений оснований и фундаментов, что при­водит к деформациям и повреждениям над­земных конструкций зданий, появлению сыро­сти в помещениях, увеличению утечек воды из деформированных водоводов (особенно чу­гунных), т.е. к преобразованию всех компо­нентов сложившегося и развивающегося го­родского, поселкового ландшафтов.
К изложенному следует добавить, что подъем шахтных вод (в большинстве случаев высокоминерализованных и агрессивных), общее увеличение водообильности массива негативно сказывается на прочности пород, вмещающих горные выработки соседних дей­ствующих шахт: интенсифицируются дефор­мационные процессы во вмещающих породах, увеличиваются их смещения, и повышается нагрузка на крепь. В частности, изменяется устойчивость ликвидированных стволов, по­скольку устья многих из них расположены в легкорастворимых наносах, а по вертикали стволы пересекают и размокаемые слои пород.
Гидроопасность для соседних действую­щих шахт, как следствие метода «мокрой» консервации обусловлена перераспределением водопритока на затопление выработок закры­ваемой шахты и на переток из затопленных выработок в действующие соседние шахты по причине устойчивой гидросвязи между ними, а также изменением существующего баланса подземных и поверхностных вод. Наличие этой грозной опасности подтверждается опы­том. Так, например, 5 декабря 1999 года ГК УГКР прекратила откачивание воды с шахты «Панфиловская», а 24 декабря 1999 года ско­пившаяся вода расходом 269 м/ч внезапно пролилась на шахту «Октябрьская», которая не была готова к ее откачиванию. В результате зумпф скипового ствола был затоплен, дейст­вующая шахта остановлена, нанесен социаль­но-экономический ущерб.
Сформированная за длительный период эксплуатации шахт геотехногенная система, включающая в себя искусственно нарушенную природную среду и сложную сеть погашенных и действующих выработок, существует в на­стоящее время как бы автономно, независимо от производственной активности и динамики добычи отдельных шахт, объединений, компа­ний. Изучение и описание такой системы при изменении ее состояния (например, при затоп­лении) на практике чрезвычайно затруднено. Вот почему в гидрологических прогнозах и разделах ОВОС проектов ликвидации шахт допущены многочисленные ошибки. Напри­мер, по шахтам «Селидовская», «Крымская», «10-бис» не прогнозировалось резкое ухудше­ние качества шахтных вод. Фактически оно наблюдается на протяжении нескольких лет после затопления.
Так, в проекте ликвидации шахты «Сели­довская» института «Днепрогипрошахт» (гид­рогеологический прогноз Артемовской гидро­геологической партии) указывалось, что за­крытие шахты с истинным затоплением и пе­редачей шахтных вод на шахту им. Коротченко не приведет к отрицательному воздействию на ее шахтные воды, а минерализация сбрасы­ваемых шахтных вод даже снизится на 0,5-0,7 г/л.
Фактически же результат затопления в на­стоящее время прямо противоположный: воды, что перетекают с затопленной шахты «Сели­довская», имеют минерализацию, которая вы­росла почти втрое (до 10 г/л), кислую реакцию рН 3,5, превышение ПДК на два порядка по содержанию железа, марганца, алюминия и других тяжелых металлов.
Изложенное указывает на риск использо­вания метода «мокрой» консервации шахт, со­провождающейся их полным затоплением. Можно предположить, что при наличии гид­равлической связи закрываемых шахт с сосед­ними действующими их «мокрая» консервация практически должна быть исключена.
В случае если снятие с эксплуатации угольной шахты будет проводиться по методу «сухой консервации», то техногенное воздей­ствие на окружающую среду сведется в основ­ном к следующему:
- продолжатся дренирование и истоще­ние водоносных горизонтов карбона и покров­ных отложений с прежней интенсивностью, а также дренирование речной сети ранее пройденными  выработками   на  небольших  глуби­нах;
- величина сброса шахтных вод в реч­ную сеть останется практически прежней, что весьма существенно влияет на режим рек;
- продолжится функционирование нако­пителей, большинство из которых являются фильтрующими; они будут загрязнять и засо­рять подземные и поверхностные воды;
- солевынос шахтными водами останет­ся на прежнем уровне, что ощутимо влияет на гидрохимический режим рек. Кроме того, в местные реки будут привноситься нефтепро­дукты, фенолы, другие вредные компоненты и элементы, что будет продолжать подавление в них биологической жизни.
Видно, что способ «сухой» консервации ликвидируемых шахт также имеет отрицатель­ные стороны: сброс вод усиливает техноген­ную нагрузку на речную сеть, на шахтном по­ле продолжаются процессы дренирования и истощения водоносных горизонтов, а также подработка речной сети, интенсивная ин­фильтрация атмосферных осадков и др.
Таким образом, сравнительный анализ по­казывает, что при любой схеме вывода уголь­ных шахт из эксплуатации имеет место нега­тивное техногенное воздействие этого процес­са на окружающую среду. В зависимости от способа консервации шахты меняется лишь характер и степень техногенного воздействия на окружающую среду.
В исключительно сложных и «пестрых» геологических, гидрогеологических, геодина­мических условиях Донбасса выбор оптималь­ного способа консервации шахты должен про­изводиться с учетом всех факторов, опреде­ляющих характер и интенсивность техноген­ного воздействия предприятия на окружаю­щую среду.
«Мокрая» консервация, как показал опыт, имеет более разрушительный потенциал и мо­жет вызвать «цепную реакцию» различных негативных явлений, загубить как шахту, так и окружающую природную среду.
Совершенно очевидно, что площади шахт­ных полей, на которых состоялись процессы проседания земной поверхности, до их исто­рических параметров уже не возвратятся. В связи с этим при закрытии шахт приостано­вить процесс подъема подземных вод и разви­тия подтопления можно только постоянным откачиванием шахтных вод (причем практиче­ски независимо от объема добычи угля), т.е. использовать метод «сухой» консервации предприятий.
К сожалению, «сухая» консервация шахты и ее поддержание по затратам может составить 60% расходов относительно действующей шахты, т.е. отличается высокой дороговизной. Но применение «сухой» консервации шахт, которая предусматривает и постоянную венти­ляцию и водоотлив, все-таки смягчает нега­тивное воздействие закрываемых шахт на ок­ружающую природную среду (отсутствует подтопление территорий; снижается угроза загрязнения подземных вод, водозаборов различными вредными веществами, в том числе токсичными, которыми насыщены отходы многочисленных промышленных предприятий, расположенных в компактных густонаселенных шахтерских регионах; исчезает вероятность достижения в почвенном слое опасных концентраций вредных шахтных газов (метана, углекислого газа и др.); не имеет места химического и радиоактивного загрязне­ния почв и др.
Кроме изложенных выводов заслуживает также внимания предложение о комбиниро­ванном методе консервации шахт, т.е. их «по­лусухой» ликвидации. В этом случае эколого-гидрогеологические вопросы должны решать­ся путем организации водоотлива при непол­ном затоплений шахт (динамический уровень в них должен находиться несколько ниже мест­ного базиса эрозии — на глубине 70-100 м). Тогда количество откачиваемой воды не пре­высит 30% водоотлива в процессе эксплуата­ции шахт. В этом случае существенно умень­шится солевынос и не будет заболачивания, подтопления, дренирования рек. интенсивной инфильтрации атмосферных осадков в выра­ботки.
Предложенный подход соответствует но­вой концепции Минтопэнерго (принятой в 2001 г.) по обеспечению гидробезопасности смежных действующих шахт путем откачива­ния шахтных вод с помощью погружных насо­сов, устанавливаемых в одном из вертикаль­ных стволов (шурфов скважин) или специаль­но пробуренных скважинах. Реализацию тако­го подхода целесообразно предусмотреть как в новых проектах ликвидации шахт, так и ранее разработанных путем корректировки послед­них.
В то же время с учетом экономических и технических проблем, возникающих в связи с необходимостью сохранения значительного объема шахтного водоотлива при «сухой» и «полусухой» консервации шахт, следует также рассматривать варианты компромиссных про­гнозов последствий затопления группы шахт в пределах отдельных горнопромышленных районов, где долговременная защита от подто­пления экономически нецелесообразна и эко­логически необязательна.
Необходимо отдавать отчет в том, что под­вергнутые анализу вопросы еще слабо изуче­ны, полому выбрать окончательный наиболее рациональный способ ликвидации шахты за­труднительно. Для обеспечения минимально отрицательного воздействия ликвидируемых шахт на окружающую среду процессы эти должны быть изучены, для чего следует орга­низовать и выполнить целевые режимные эко­логические наблюдения. Основными конкрет­ными задачами выполнения этих работ явля­ются детальные исследования влияния закры­тия (ликвидации) угольных шахт на подзем­ные водоносные горизонты, речные воды, на подземный и поверхностный стоки; на органи­зацию местного и централизованного водо­снабжения за счет как подземных, так и по­верхностных вод; на устойчивость зданий и сооружений в пределах шахтных полей и зон их влияния.
В различных в гидрологическом отноше­нии районах целесообразно выбрать для на­блюдений опорные шахты, закрываемые раз­личными методами («сухой», «полусухой», «мокрой» консервации), пробурить и оборудо­вать наблюдательные скважины на целевые водоносные горизонты.