Рациональное использование подземных вод и их влияние на экологию

«Одними из важнейших полезных ископаемых для нас являются подземные воды».

Дефицит пресных подземных вод с одной стороны и пренебрежительное отношение к ним с другой - становится характерным для нашего времени.

Подземные воды на юге Кузбасса приурочены, в основном, к юрским отложениям (конгломераты - наиболее водонасыщенные) и угленосным пермским отложениям (представленным песчаниками, алевролитами и аргиллитами). Водообильность коренных пород в среднем по Кузбассу прослеживается на глину до 150 м. Воды относятся к типу пластовых-трещинных. Подземные воды приурочены также к четвертичным отложениям (галачники), имеющим хорошую гидравлическую связь с поверхностными водами.

Наиболее пригодными для хозпитьевых целей являются, конечно, подземные воды в юрских и пермских отложениях.

Отношение к ценнейшему полезному ископаемому - подземной воде, давайте рассмотрим на двух примерах: эксплуатация водозаборов в долине р.Каландас и влияние ликвидации угольных предприятий в Новокузнецке на подземные воды.

В долине р.Каландас расположены два водозабора: «Каландасский», который обеспечивает ш. «Осинниковскую» (бывшая «Капитальная») и «Березовая Грива», обеспечивающий ш. «Тайжина» (бывшая «Высокая») и г. Осинники.

Водоносный комплекс водозаборов представлен юрскими отложениями. Водовмещающие породы - конгломераты на песчано-глинистом цементе, реже песчаники, алевролиты. Степень обводненности конгломератов зависит, в основном, от состава цемента и их расцементированности, песчаников - от крупности зерен и трещиноватости. Такая структура пород обеспечивает образование в верхней части разреза юрских отложений (до глубины 150-160 м) единой обводненной зоны, в пределах которой циркулируют воды порово-трещинного-пластового типа. Водообильность пород в этой зоне характеризуется высокими удельными дебитами (до 3-5 л/сек), качество воды отвечает требованиям ГОСТ 2874-82 (вода питьевая). Питание водозабора происходит за счет инфильтрации атмосферных осадков.

Разведка подземных вод в долине р. Каландас была проведена в 1954-59 годах, эксплуатационные запасы были представлены на утверждение ГКЗ в объеме 10100 м3/сутки. Но запасы не утвердили, так как был недоизучен вопрос влияния подземных горных работ на режим водозабора.

Эксплуатацию подземных вод авторы разведки предлагали вести 8 водозаборными скважинами глубиной 100 м с отбором от 800 до 1500 м3/сутки (6 скважин в долине р. Каландас, 2 скважины в верховье р. Черемза). При строительстве водозабора это было нарушено. В 1982 году в составе двух водозаборов насчитывалось уже 10 эксплуатационных скважин, которыми отбиралось до 6800 м3/ сутки подземных вод, а в мае 1986 г. - 11 скважин с общим водозабором 8520 м3/ сутки. Фактическое расположение, количество существующих водозаборных скважин и расстояние между ними на Осинниковском участке значительно отличается от рекомендованных авторами подсчета запасов подземных вод. Так, в расчетном блоке вместо двух проектных скважин с суммарным дебитом 2900 м3/сутки с 1981 г. располагаются 8 эксплуатационных скважин с суммарным водоотбором 4500-6000 м3/сутки, в том числе все 4 скважины Каландасского водозабора. Это обстоятельство несомненно оказывает значительное влияние на режим работы обоих водозаборов и уменьшение водоотбора.

В октябре 2000 года нами проведено обследование Каландасского водозабора и профилактический ремонт одной скважины (из 4), была определена степень влияния горных работ на водозабор.

Исходя из анализа геолого-гидрогеологических условий района, местоположения эксплуатационных скважин и режима работы обоих водозаборов, а также учитывая близость расположения подземных горных выработок шахт «Осинниковская» и «Тайжина», можно сделать следующие выводы:

1.     Суммарный среднегодовой отбор подземных вод в долине р. Каландас в 1994-2000 г.г. составляет 6500-8200 м3/сутки, что не превышает эксплуатационных запасов (10100 м3/сутки) на Осинниковском участке, однако в отдельные годы он был сопоставим с ними или даже превышал их, так, в 1984 г. общий водозабор на участке из всех эксплуатационных скважин составлял 10300 м3/сутки.

Водозаборные скважины, количество их и расстояние между ними в долине р. Каландас заложены с большим отступлением от рекомендаций авторов разведки и подсчета запасов подземных вод, что привело к несоизмеримому с подсчитанными запасами (2900 м3/сутки) водозабору подземных вод (4500-6000 м3/сутки) в пределах 1 расчетного блока, где расположен Каландасский водозабор и 4 скважины водозабора «Березовая Грива».

Неверно выбранная при строительстве водозаборов схема размещения эксплуатационных скважин и мнеголетняя интенсивная эклплуатация их в пределах расчетного блока обусловили сработку статических запасов и снижение уровней подземных вод в скважинах до 50 м в верховье р. Каландас, что является одной из основных причин снижения производительности Каландасского водозабора. Такой режим эксплуатации в дальнейшем может привести к полному осушению водозабора. Авторы разведки в отчете предупреждали о возможности сработки запасов подземных вод вследствие нарушения рекомендованной схемы заложения эксплуатационных скважин, чрезмерно концентрированного расположения скважин и водоотбора.

2.     Наиболее водообильная зона юрских отложений в долине р.Каландас на участке расположения водозабора распространена до глубины 150-160 м, что подтверждается результатами наблюдений за потерей промывочной жидкости в процессе бурения.

3.     При отработке пластов угля с последующим обрушением кровли под юрскими отложениями на глубинах до 150-170 м последние дренируются горными выработками через широко развитую сеть трещин в зоне обрушения и проседания надугольных толщ, при этом водопритоки в шахты значительно увеличиваются и становятся устойчивыми. Так, среднегодовые водопритоки в шахту «Высокую» 1986-1999 г.г. составляли 3179-9179 м3/сутки, т. е. 132-382 м3/час, при этом основная часть их (до 70 %) поступала через старые горные выработки и отработанные пласты угля из наиболее обводненной верхней зоны юрских отложений, развитой до глубины 150-160 м. Среднегодовые водопритоки в шахте «Капитальная» в эти же годы изменялись 10360-19919 м3/сутки (431-830 м3/час), т. е., усиленный водоотлив их шахт с 1954 г. и по настоящее время несомненно способствует сработке статических запасов и снижению уровней подземных вод в верховье р. Каландас, оказывая тем самым постоянное влияние на режим работы водозабора.

4.     Одной из причин снижения производительности Каландасского водозабора является кольматация водовмещающих пород в прифильтровой зоне скважин и уменьшение водопропускной способности фильтров (скважины работают 20 лет).

В одной из скважин (№ 3) Каландасского водозабора с целью увеличения ее водоотдачи, уточнения конструкции и изучения технического состояния обсадных труб и фильтров нами были проведены следующие виды работ: геофизические исследования (кавернометрия, гамма-каратаж, расходометрия и др.), отработка фильтров и прифильтровой части водовмещающих пород пневмовзрывом, чистка скважины и откачка эрлифтом. В результате проведенных работ удельный дебит скважины возрос с 4,5 м3/час до 6,4 м3/час, т. е., увеличился более чем на 40 %. Таким образом, можно утверждать, что в результате проведенных работ удалось уменьшить кальматацию пород в прифильтровой части скважины и увеличить водопропускную способность фильтров.

Шахтам «Осинниковская» и «Тайжина» мы рекомендовали:

1.     Отработку угля под юрскими отложениями в долине р. Колондас на расстоянии до 400 м от водозабора не производить.

2.     Для предотвращения дальнейшей сработки статических запасов и уровней подземных вод на участке Каландасского водозабора необходимо пересмотреть схему расположения водозаборных скважин, т. е., расширить длину водозабора на 1,6 км по р. Каландас на 2 скважины.

3.     Для увеличения водоотдачи скважин провести в них профилактические ремонтные работы.

4.     Постоянно вести наблюдения за производительностью и уровнями во всех эксплуатационных скважинах.

Кроме Каландасского водозабора мы провели и проводим гидрогеологическое обследование водозаборов в Беловском районе, в г. Междуреченск - обстановка везде примерно одинакова - даже порой документация на скважины отсутствует, наблюдения за режимом водоотбора практически не ведутся, не говоря уже о профилактике скважин длительное время.

ример более негативного отношения к подземным водам - это влияние на них процесса ликвидации шахт, когда подземные воды становятся угрозой для экологии территорий.

Подземные воды всегда находятся в движении, участвуя в круговороте воды в природе, поэтому, проходя через отработанные пространства, они разгружаются в реки, водозаборные скважины с тем «багажом», который они прихватили в этих выработках. В выработках они «обогащаются» опасными для жизни животного и растительного мира элементами, т. е., возникает экологическая проблема.

В Новокузнецке до недавнего времени эксплуатировались два угольных месторождения - Араличевское и Байдаевское. В настоящее время шахты на Араличевском полностью закрыты, на Байдаевском из 5-ти шахт осталась одна «Абашевская». Шахты на Араличевском поле ликвидируются «мокрым» способом, на Байдаевском - «сухим». «Мокрый» способ предусматривает естественное затопление горных выработок. При «мокром» способе ликвидации происходит восстановление уровня подземных вод, как правило, восстановленный уровень превышает прежний, с одновременным ухудшением их химического состава и физических свойств.

«Скорость повышения уровня и количество воды, накапливающейся в выработанном пространстве, изменяются в зависимости от совокупности геологических, гидрогеологических и горнотехнических условий».

Такие процессы, как скорость восстановления уровня, заполнение водой выработанного пространства в зависимости от того, чем представлен горный массив, влияние барьерных целиков, перемычек, влияние тектонических разломов и др. можно определить при наличии Полигонов, особенно там, где имеется комплекс шахт. Мониторинг на этих Полигонах должен вестись комплексно, т. е., наблюдаться должны и подземные воды, и горный массив, и изменения рельефа поверхности, и микроземлетрясения и многое другое. По ведению мониторинга на полях закрываемых шахт в Новокузнецке имеется небольшое замечание.

В настоящее время в городе сложилась критическая ситуация - идет подтопление территории и Главой города издано распоряжение о разработке Программы водопонижения по ликвидации затопления городских объектов и подземных коммуникаций. Конечно, причина подтопления не одна, это и порывы трубопроводов, и утечки из ливневой канализации, и возможный «перехват» стока грунтовых вод дамбами, насыпями, свайными фундаментами и пр., но, несомненно, сказывается и подъем уровня подземных вод в закрываемых шахтах, тем более что закрываемые шахты расположены по обе стороны зоны разгрузки - р. Томь, которая находится посреди города. В этом случае нужно очень тщательно изучать динамику уровней грунтовых и подземных вод. А данных нет!

Я не хочу сказать, что нет замеров уровня подземных и грунтовых вод - наоборот, в городе немало организаций, которые этим вопросом занимаются, кто на полях шахт, кто на своих предприятиях, но в таком крупном городе, как Новокузнецк, наверное, должна быть муниципальная координирующая организация.

При ликвидации угольных предприятий в подземной гидросфере возможны экологически опасные последствия:

• загрязненные шахтовые воды проникают в подземные источники хозпитьевого водоснабжения;
• прорывы шахтовых вод из затопленных выработок в действующие выработки смежных шахт;
• подтопление и заболачивание земной поверхности, приведение в непригодное состояние больших территорий для хозяйственной деятельности.

Еще раз хочу подчеркнуть значение комплексного мониторинга на полях закрываемых шахт и в частности вопросов, касающихся подземных вод:

1. Гидрогеологический мониторинг.

Цель - краткосрочный и долгосрочный прогнозы возможных гидроэкологических осложнений для разработки и реализации мероприятий по их предотвращению.

Задачи мониторинга:

• получение данных о положении уровней шахтных и подземных вод во времени, определение скорости затопления системы горных выработок в границах горного отвода шахты;
• получение лабораторных определений химического состава шахтовых и подземных вод, оценка их загрязненности;
• получение фактических сведений о ликвидации и интенсивности подтопления территорий;
• выявление мест поступления на земную поверхность и в гидросеть подземных и шахтных вод, определение объемов сброса и химического состава вод, оценка возможного загрязнения водотоков, колодцев, водоемов;
• прогноз параметров возможных гидроэкологических осложнений.

2. Мониторинг процесса подтопления территории, гидрогеологических и инженерно-геологических процессов на земной поверхности.

Задача - определение момента существенного и опасного приближения к поверхности или выхода на нее подземных вод, локализация подтопления, а также изучение гидрогеологических и инженерно-геологических процессов, генетически связанных с ликвидацией шахт.

3. Гидрохимический мониторинг состава и свойств подземных вод и вод, разгружающихся на земную поверхность.

Одновременное закрытие большого количества шахт на ограниченном пространстве существенно повлияло и еще долго будет влиять на экологическую обстановку в городе.

Без организации комплексного экологического мониторинга на полях закрываемых шахт нас ждут «непредсказуемые» явления. Это и подтопление территорий, и газовыделение, и вывод из строя земель, пригодных для проживания людей и хозяйственной деятельности, и влияние загрязненных и зараженных подземных вод на источники водоснабжения и др.

Рациональное использование наших ресурсов, в том числе подземных вод, приобретает не только технологический характер, - это уже эколого-экономическая проблема.

Экологическая безопасность региона - один из аспектов комплексной оценки возможности перехода Кузбасса к устойчивому развитию.