Об обеспечении экологической безопасности горнодобывающих районов на основе минимизации негативных карстовых процессов

Карстующиеся породы Предуралья представлены гипсами 1, ангидритами 2 с открытыми подземными карстовыми полости 3, которые заполнены или частично заполнены продуктами обрушения кровли 4, или продуктами аккумуляции типа терра-росса 5. На поверхности массивов формируются участки площадных деформаций над карстовыми полостями 6. Четко выделяются гидродинамические зоны карстовых вод 7: I -- поверхностной циркуляции, II -- вертикальной нисходящей циркуляции (аэрации), III -- переходная зона, IV -- горизонтальной циркуляции, V -- сифонной циркуляции, VI -- под долинного стока с существенно разными значениями модуля химической денудации 8, т/км² в год.

От интенсивности неотектонических движений и их знака зависит скорость старения карстовых пещер. Максимович Г.А. отметил связь гипсометрического уровня спелеогенеза с отметками террас рек и характером неотектонических движений. При отрицательных движениях происходит аккумуляция и заполнение полостей рыхлым материалом типа терра-росса, почв и кор выветривания. При положительных движениях спелеосистемы вовлекаются вверх, растут в размерах, соединяются через провалы с земной поверхностью.

Килиным Ю.А. по данным ВЭЗ построены карты кровли обвально-карстовых образований в масштабе 1:1000, и подсчитан объем толщи карстующихся гипсов. С помощью бурения 185 скважин со средней глубиной 20 м, а так же геофизических методов выявлены 22 подземные карстовые полости с размерами по вертикали от 0,2 до 19,5 м [6]. Они были пустыми, или заполненными осадками. Самая большая по площади полость (объект 15) вскрыта скважинами 16, 66, 67, 69 на глубинах от 7,9 до 10 м под нитками газопроводов Центр 1, Центр 2, Уренгой-- Ужгород. При детальном изучении полость вскрыта шурфами и экскаватором. Другая полость вскрыта под газопроводом Ямбург--Елец (1650--1649 км) с размерами в плане 20 30 м на глубине от 3 до 19,5 м. Выявлено и изучено еще два крупных объекта. Стало очевидно, что экологическая опасность и устойчивость газопроводов определяется не только развитием провальных и других карстовых форм, а глыбовым характером тектонических движений, которые усиливают напряженность и деформируемость металла трубопроводов за счет их растяжения и сжатия, что согласуется с изменениями уровня земной поверхности на этих участках. Наиболее существенны деформации труб на бортах крупных карстовых депрессий, котловин и суходолов.

Группой А. Фесенко (ВНИИГАЗ и НПП «Диарес») совместно с МВТУ им. Н. Баумана (Москва) на выявленных авторами карстоопасных участках выполнено множество замеров напряженного состояния металла труб. В результате удалось установить закономерные взаимосвязи деформаций в массиве пород и в металле труб (рис. 3). Тектоническая трещиноватость формирует блоково-карстовую систему вдоль бортов депрессий, котловин и логов. Эта сеть осложняется эрозионно-тектоническими формами, иногда расположенными на значительных расстояниях от основных макро карстовых форм, как например, на участке Ужгородского коридора на отрезке 1606--1609 км. Он исключительно экологически опасен на участках всех шести ниток газопровода.

Рис. 3. Схема формирования мульды оседания земной поверхности и дополнительных экологически опасных напряжений в системе «труба--массив» карстующихся пород: I -- tectonic-relaxed zones as a result of block character of earth's crust deformations with pointing of stress vector; II -- stresses on pipe metal owing to formation of earth surface subside muld and development of karst-suffosion and erosion-tectonic forms. Hydrodynamic zones: 1 -- of airation; 2 -- of transition; 3 -- of constant horizontal flow]

На схеме показаны тектонически ослабленные зоны, как результат блокового характера деформаций земной коры с указанием вектора напряжения I, напряжение на металле трубопроводов в связи с формированием мульды оседания земной поверхности и развитием карстово-суффозионных и эрозионно-тектонических форм II, гидродинамические зоны: аэрации 1, переходная 2, постоянного горизонтального стока 3. В переходной зоне эрозионно-тектонические деформации массивов горных пород Мазуевской карстовой депрессии с пещерными системами и многочисленными карстовыми формами многократно усиливаются унаследованными неотектоническими движениями. Они расположены прямо под газопроводами для обеспечения экологически безопасной эксплуатации газопроводов, своевременного прогноза аварийных ситуаций и принятия решений по минимизации негативных последствий с участием авторов созданы геодинамические полигоны:

— с системой карстолитомониторинга с постоянным слежением за состоянием и динамикой напряжений в системе «труба-массив» горных пород;

— моделированием и прогнозом динамики деформаций и напряжений в этой системе в связи с эрозионно-тектоническими, карстово-суффозионными и другими процессами;

— разработкой и внедрением противоаварийных мероприятий, обеспечивающих экологическую безопасность.

Первые попытки создать полигон по изучению геодинамических процессов для постоянных наблюдений за ними в районе с. Красный Ясыл авторами были предприняты еще в 1995-1996 гг. На сегодня накопился значительный материал наблюдений, как за массивом горных пород, так и за трубами газопроводов. Это позволило авторам создать ряд моделей, в частности, по устойчивости массивов карстующихся пород (рис. 4). Совокупность карстово-суффозионных и эрозионно-тектонических процессов оказывает глубокое влияние на формирование рельефа, изменение которого по трассе газопровода оказывает интенсивное деформирующее воздействие на такие линейные жесткие коммуникации, как трубопроводы большого диаметра (1420 мм).

Геодинамика системы определяется формированием карстовых депрессий, котловин, логов и суходолов вдоль тектонических нарушений и ослабленных зон земной коры. Дизъюнктивные нарушения в условиях высокой физико-химической неустойчивости карстующихся пород превращаются в ядра слабо изученных элементов неоландшафта -- в мульды оседания и растяжения. Этим элементам неоландшафта, к сожалению, не уделяется должного внимания, а именно они являются причиной негативных геодинамических процессов повышенной экологической опасности.

Рис. 4. Модель формирования карстовых процессов в зонах сосредоточения поверхностного и подземного стока

Все внимание сосредоточено на провальных формах карста, которые якобы представляют основную опасность для пересекающих их коммуникаций. Бортовые зоны карстовых депрессий, котловин, логов, суходолов чаще всего имеют достаточно широкие, пологие и задернованные склоны, осложненные нередко блюдцеобразными воронками. Но на отдельных участках склоны карстовых макро- и мезо-форм приобретают обрывистый характер, что обусловлено дизъюнктивными нарушениями при более энергичных неотектонических поднятиях, особенно в приводораздельной части ландшафтного профиля. По бортам долин рек нередко фиксируются трещины бортового отпора шириной до 2 м. В ряду цепочек слившихся карстовых воронок вдоль тектонически нарушенных зон нередко формируются слепые эрозионно-карстовые лога. Большинство воронок формируется в зоне аэрации в процессе инфильтрации и инфлюации атмосферных осадков. В сульфатном типе карста это происходит из-за большого дефицита насыщения вод CaSO₄. В тектонических нарушениях формируются зоны сосредоточение подземных вод, и, судя по геофизическим данным, трещинная пустотность достигает здесь максимума. Буровыми скважинами вне зон сосредоточения подземных вод вскрыты трещины, заполненные продуктами терра-росы и гипсовой муки.

Для обеспечения экологической безопасности районов трансконтинентальных газопроводов, с участием авторов, разработана и осуществлена система мониторинга с использованием комплекса методов, поэтапно выполняемых в определенной последовательности. На первом этапе выполняется натурное обследование районов трасс с применением наземных и дистанционных методов. В полосе шириной до 2-х км вдоль коммуникаций картографируются и опробуются гидролого-гидрогеологические и карстологические объекты, которые могут представлять опасность для целости коммуникаций. Фиксируются и описываются микро- и макро-карстовые формы, отбираются на физико-химические исследования пробы природных вод, почв и горных пород. В полевых условиях и в камеральный период анализируются аэро- и космо-фото-снимки с оценкой интенсивности эрозионно-карстовых процессов. Выявляются участки, представляющие потенциальную аварийную опасность для коммуникаций. Участки трассы, где деформации уже имеют место, выделяются под полигоны, где проводятся детальные геолого-геофизические исследования с применением буровых работ и постановкой технического мониторинга.

Впервые технический мониторинг начал функционировать на участках газопровода Ужгородского коридора вблизи с. Красный Ясыл в 1995 г. после предварительного проведения авторами карстологических исследований с применением наземных и дистанционных методов и буровых работ. Под газопроводом была выявлена карстовая полость длиной до 35 и глубиной до 19 м. Транспорт газа был остановлен, в трубе обнаружили трещины и своевременно предотвратили утечки газа.

Система технического мониторинга осуществлена по методике, разработанной с участием и под руководством авторов. Ее внедрение предотвратило крупные аварии на газопроводах. С 1996 г., по этой методике, ВНИИГАЗ и НПП «Диарес» совместно с МВТУ им. Н. Баумана систематически выполняют замеры напряженного состояния труб на выявленных карстоопасных участках. В системе технического мониторинга «Астрон», используется спектрально-акустический метод. Измерения производятся на шести участках трансконтинентальных газопроводов. Интенсивность карстовых процессов и экологическая опасность в многоводные периоды возрастают, как и частота измерений. Данные дистанционных наблюдений показали, что после обильных паводков карстовые формы формируются интенсивнее с глубокими провальными воронками и котловинами. Напряжения на трубах изменяются и сезонно, в соответствии с вариациями гидролого-гидрогеологического режима в околотрубном пространстве. Большое значение имеют сезонные процессы промерзания и оттаивания, набухания и разжижения грунтов вокруг трубы, эффекты термолифта и процессы конденсации влаги в связи с повышенной температурой транспортируемого газа (от 20 до 70 °С).

Напряжение в трубах нарастает ранней весной на 2,5-5,7 кгс/мм² с последующей стабилизацией. Это происходит в связи с активизацией инфильтрации и усилением суффозионно-карстовых процессов в гидродинамической зоне сезонных и многолетних колебаний уровня трещинно-карстовых вод. Рост напряжений на трубах газопроводов составляет в среднем 2-4 кгс/мм² в год на участках пересечения крупных подземных карстовых полостей с зонами сосредоточения карстовых вод. Процесс носит колебательный и поступательный характер, проявляясь не одинаково в разных плоскостях, что согласуется с разным характером напряжений в блоках вмещающих пород. В мульдах оседания-обрушения на участках суходолов растягивающие напряжения по верху труб варьируют от 1 до 45 кгс/мм² при пределе прочности трубы 42,7 кгс/мм² [6]. Чаще эти напряжения составляют 14 кгс/мм². В нижней части трубы сжимающие напряжения изменяются от 1 до 32 кгс/мм², составляя в среднем 11 кгс/мм². Состояние труб считается работоспособным при максимальном, рабочем значении напряжений металла меньше 50% предельных.

Результаты и обсуждение

Классический район развития карста -- это Ирень-Сылвенское междуречье на Уфимском плато, сложенное в значительной степени гипсами и ангидритами. Здесь образовались суходолы, лога, мульды оседания, воронки, котловины и полья с размерами до 10 км [6]. Техногенез превратил карст из сезонного в круглогодичный процесс, усилив его интенсивность на 2-3 порядка, что превратило карст в экологически исключительно опасный процесс для инженерной инфраструктуры. Под коммуникациями сформировались аварийно-опасные понижения и провалы. Нарушилось экологическое равновесие, нанося экономический ущерб населению и окружающей среде (ОС) в десятки и сотни миллионов рублей. На плато расположены всемирно известные Кунгурская ледяная пещера и Ординский карстовый сифон. Оно пересекается железными и шоссейными дорогами с мостовыми переходами, трансконтинентальными газопроводами диаметром в 1420 мм и нефтепроводами протяженностью в десятки тыс. км.

К сожалению, гидрогеологические методы при исследовании карста в пределах массивов растворимых пород применяются мало, а гидрогеологическое картографирование в крупном масштабе не проводится. Недостаточная изученность этих массивов в регионе обусловила аварии на калийных предприятиях Березников и Соликамска, на железных и шоссейных дорогах и других сооружениях. Поэтому вопросы экологической безопасности здесь исключительно актуальны.

Только в Пермской области карст и экологически опасные деформации земной поверхности развиты в 20 административных районах. Карст особенно активно и опасно развивается в условиях избыточного увлажнения и на участках неотектонических поднятий. Развитие здесь неотектонической трещиноватости стимулирует формирование зон сосредоточения трещинно-карстовых вод и активизирует динамику их циркуляции. В логах, перпендикулярных к реке сток нередко изменяет направление на обратное, не к реке, а от реки. В водотоках вода много раз исчезает с поверхности земли и появляясь вновь [6].

Красноясыльское поле площадью 19 км² испещрено карстовыми воронками с плотностью более 200 на га. В Мазуевской карстовой депрессии имеют место цепочки воронок и котловин, каверны, поноры, ниши, карры, пещеры, прослеженные бурением до глубин в 40 м. Развиты воронки от мелких до очень глубоких с диаметром до 50 м. Гипсы и ангидриты закарстованы интенсивнее доломитов и известняков.

В северной части Уфимского плато развит гипсовый и карбонатно-гипсовый карст [8; 9]. В 1915 г. район изучала В.А. Варсанофьева, а в дальнейшем -- геологи-съемщики: К.П. Плюснин (1947), Л.А. Шимановский (1963), В.И. Мошковский (1973), Е.А. Иконников (1990). Здесь работают Кунгурский стационар УрО РАН, Институт карстоведения и спелеологии при Пермском ун-те и изыскатели [7; 10-15]. Район расположен на востоке Волго-Уральской антеклизы между Башкирским сводом и Бымско-Кунгурской впадиной. По П.А. Софроницкому [16], он приурочен к западному крылу Уфимской макробрахиантиклинали, выделяясь по выходам на поверхность породами кунгурского яруса. Моноклинальное строение осложнено локальными структурами, например, Ясыльской с размерами в плане 2x3,5 км. Тектонические нарушения согласуются с карстовоэрозионной сетью приречных зон Ирени, Кунгура, логов и Ясыльского суходола. Сосредоточение карстовых вод связано с наиболее экологически опасными зонами повышенной трещиноватости и закарстованности пород, например, в лунежской пачке по правобережью Ирени, приподнятой относительно соликамского горизонта. В западной части правобережья Ирени они перекрыты рыхлыми неоген-четвертичными отложениями. Иренский горизонт на глубинах 70-150 м подстилается филипповскими доломитами. В его разрезе у с. Серьга Б.И. Грайфер [8; 12] выделил семь пачек отложений, в которых преобладают ангидриты, доломиты, известняки и гипсы. Мощность иренского горизонта в западном крыле Уфимского вала не превышает 150-200 м, а в восточном достигает 350-400 м. Наибольшую экологическую опасность представляют карстовые процессы, развивающиеся в нем до глубины порядка 40 м. Соликамский горизонт на правобережье Ирени развит спорадически, а на левобережье образует меридиональную полосу мергелей, песчаников, глин, доломитов с прослоями гипсов и ангидритов мощностью до 42 м.

Неоген-четвертичные отложения представлены обвально-карстовым горизонтом из щебня и дресвы сульфатов и карбонатов, сцементированных глинистым материалом мощностью от 2-3 до 20 м. Он перекрыт элювиально-делювиальными и аллювиальными суглинками и глинами с дресвой и щебнем коренных пород мощностью 0,5-6 м, а в карстовых суходолах -- до 14 м. Мощность аллювия в пойме Ирени достигает 12,9 м.

Гидрогеологические условия этой территории охарактеризованы Е.А. Иконниковым, описавшим следующие водоносные горизонты [17]:

1) локально слабоводоносный четвертичный аллювиальный горизонт в долинах рек. По Ирени у д. М. Ашап он имеет мощность 9,3 м и сложен мелкозернистыми песками и гравийно-галечным материалом. В скважине № 6 при понижении на 4,35 м от статического уровня 3,6 м и Кф = 8 м/сут получен дебит вод 1,8 л/с сульфатно-кальциевого состава с минерализацией 2,1 г/л;

2) локально-водоносная соликамская терригенно-карбонатная свита с песчаниками, доломитами, известняками. На левобережье Ирени две скважины вскрыли сульфатно-гидрокарбонатные воды с минерализацией до 1,0 г/л. Дебит скважины из известняков составил 10,5 л/с при понижении 3,6 м, а из мергелей -- 3,6 л/с при понижении 14,7 м;

3) иренская карбонатно-сульфатная серия. Она водоносна по правобережью при неглубоком залегании; при ее погружении на левобережье Ирени она водоупорна. Карстовые воды в ней развиты в лунежской гипсово-ангидритовой пачке, подстилаемой водоупорной тюйской карбонатной пачкой [18]. Их единое зеркало расположено на глубине 10-42,7 м. Дебиты родников варьируют от небольших до 50 л/с с минерализацией 2,1 г/л, а по Ясылу общий дебит их достигает 141,5 л/с. Ниже уреза воды в ручье минерализация вод хлоридно-сульфатно- го и сульфатно-хлоридного состава превышает 3 г/л.

Инженерно-геологические условия районов эксплуатации газопроводов весьма сложные. Максимович Г.А. [9; 7] на этой территории выделил следующие типы карста: голый с выходом пород на поверхность; задернованный; под элювиальный и под аллювиальный; закрытый, под соликамским горизонтом. На крутых склонах долин развиты карры, а в воронках -- поноры. Плотность воронок растет на склонах долин, достигая участками 200 на 1 га. Эти участки наиболее экологически опасны. На водоразделах растет мощность покровных отложений, а плотность воронок снижается. Лукин В.А. и Ежов Ю.А. использовали зависимость закар- стованности от защищенности пород от карста на схеме типизации территории с. Красный Ясыл, выделив пять типов площадей по устойчивости к карсту [14]. Эта схема отражает и степень экологической опасности соответствующих участков. Устойчивы водоразделы, перекрытые соликамскими отложениями, а слабо устойчивыми, и более экологически опасными являются площади с сульфатными породами, карстово-обвальным горизонтом, полостями и воронками диаметром до 12 м. На участках закарстованных и трещиноватых пород формируются зоны сосредоточения трещинно-карстовых вод, экологически исключительно опасные.

Трансконтинентальные газопроводы пересекают карстовые депрессии, котловины и водотоки, вода в которых многократно исчезает в подземных полостях и появляется вновь при плотности воронок больше 200 на га [8]. Воронки бывают большие с диаметром 25--50 м, обычные -- 5-25 м и небольшие -- меньше 5 м. По глубине они бывают более 10 м, 5-10 м, обычные -- 1-5 м и мелкие -- до 1 м [7]. Последние две группы встречаются чаще.

Вопросы экологической безопасности районов развития карстующихся пород изучаются авторами на Урале с 1957 г., а в связи с трансконтинентальными газопроводами -- с 1994 г. Газопроводы пересекают карстоопасные районы в бассейне р. Сылва на отрезке 1643-1580 км. Первые изыскания здесь в кратчайшие сроки выполнены Верхнекамтисизом в 1982 г. Его специалисты при большом количестве оговорок сделали вывод о принципиальной возможности строительства и эксплуатации газопроводов по этой трассе. Они игнорировали альтернативные варианты ее прокладки, которые предусматривались заданием института Гипроспецгаз. И газопроводы пересекли карстоопасные породы Предуралья шириной в 650 км с высокоаварийными и экологически опасными участками, аналогичными участкам железной дороги по Уфимскому косогору (1927 г.). Напомним, что никакие мероприятия не смогли тогда предотвратить высокой аварийности и экологической опасности на этой дороге, и ее пришлось перенести. Проложить газопроводы по другому маршруту можно и сегодня, но для этого необходимо более 100 млн долл. США.

Изыскания Пермгипроводхоза и Института карстоведения и спелеологии РГО РАН, как и Верхнекамтисиза, показали, что безаварийность газопроводов обеспечить возможно, но на экологически опасных участках надо создать дорогостоящую систему мониторинга с комплексом противоаварийных мероприятий. Верхнекамтисиз в 1982 г. по правобережью Ирени выделил шесть карстоопасных участков в сульфатных породах иренского горизонта. При строительстве газопроводов в 1983--1984 гг. на участке трассы в 5,4 км произошло 24 провала, а с 1986 г. этот показатель значительно увеличился [13]. Тем не менее, эксперты из Кунгурского стационара УрО РАН в 1996 г. заключили, что «наличие пустот не представляет опасности для газопровода», поскольку карстовый процесс в карбонатах затухает. К сожалению, гидрогеологические условия и наличие сульфатных пород в разрезе ими не были полностью учтены.

Карстовые процессы в регионах Урала протекают с герцинского цикла тектогенеза, когда кунгурские лагуны Предуралья были тектонически приподняты и стали поверхностью суши. Интенсивность карста за 230 млн лет менялась, и за это время мощность иренского горизонта в сводовой части Уфимского вала в 2-3 раза стала меньше, чем на восточном крыле структуры. В результате, на участке пересечения Уфимского плато трансконтинентальными газопроводами сформировались унаследованные, разновозрастные и многоэтажные подземные карстовые полости.

В районах тектонически унаследовано поднимающихся, карстовые полости (гроты) и пещерные ходы, по Г.А. Максимовичу [7; 9], начинают формироваться еще в гидродинамической зоне сифонной циркуляции, но интенсивное развитие их происходит при вовлечении пород в зону сезонных и многолетних колебаний уровня трещинно-карстовых вод. При вовлечении же в зону аэрации, они подвергаются старению и обрушению.

При тектоническом погружении подземные полости вовлекаются в условия более глубоких гидродинамических зон и частично или полностью заполняются продуктами карстово-суффозионных процессов (типа терра-роса) и продуктами размыва выше залегающих грунтов и почв. При неоднократной смене гидрогеологических циклов формируются многоэтажные карстовые системы. Основная часть полостей этих систем заполнена или продуктами обрушения, или аккумуляции. Для протяженных и жестких коммуникаций и сооружений основная опасность здесь заключается не столько в образовании провальных карстовых форм, сколько в формировании унаследованных площадных деформаций типа оседания или оседания-обрушения над зонами сосредоточения подземного и поверхностного стока и на примыкающих к ним приподнятых участках. Именно с этими участками связаны максимумы интенсивности и объема подземной химической денудации в переходной зоне. Самые крупные подземные полости и зоны разуплотнения пород, отмеченные ранее, формируются на приподнятых участках бортов долин и суходолов. Необходимо отметить, что каждой пещерной системе соответствует зона сосредоточения подземных трещинно-карстовых вод. Они формируют источники с крупными дебитами. Например, суммарный выход всех родников трещинно-карстовых вод в долине речки Мазуевка достигает 500 л/с.

Выводы