Управление экологической безопасностью региона на стадии ликвидации угольных шахт

Масштабные изменения в структуре промышленности ряда регионов России (Восточный Донбасс, Кузбасс, Европейский Север, Урал), связанные с массовой ликвидацией на их территории неперспективных угольных шахт, привели к обострению экологических проблем. Источником неблагоприятных воздействий на окружающую среду (ОС) явились процессы активного взаимодействия пород углевмещающего массива, подземной и приповерхностной атмосферы и гидросферы. Реструктуризация угольной промышленности продолжается, поэтому актуальность проблемы заключается в том, чтобы разработать научно обоснованную систему управления экологической безопасностью региона.

Достижение этих целей обуславливает решение следующих задач:

– выявление природных и техногенных факторов, определяющих масштабы экологических последствий ликвидации убыточных шахт;

– оценка значимости выявленных факторов на протекающие процессы;

– разработка комплекса методов экологических исследований;

– формирование программы технических мероприятий, направленных на предотвращение негативного воздействия процессов ликвидации.

Анализ сведений по различным регионам Российской Федерации, позволил выделить природные и техногенные факторы, которые в основном определяют характер и масштабы экологических последствий закрытия шахт [1, 2]. К ним относятся:

– особенности строения углепородного массива;

– гидрогеологические, гидрогеохимические и газогеологические условия;

– применяемая технология добычи угля;

– параметры шахтных производственных сооружений;

– технология ликвидации угольных шахт.

Роль перечисленных факторов проявляется во влиянии на процессы:

– интенсивность движения подземных и поверхностных вод, баланс поверхностной и подземной гидросферы;

– минерализация, химический и газовый состав, бактериологическое состояние поверхностных вод;

– динамика формирования потоков и путей движения газовых смесей;

– характер инженерно-геологических процессов в массиве горных пород.

Развитие перечисленных техногенных явлений в значительной степени связано с динамикой гидросферы, поскольку закрытие угольных шахт в Восточном Донбассе и других регионах производится посредством затопления выработанного пространства. Гидродинамические процессы, происходящие    в    затапливаемом    углевмещающем    массиве, характеризуются большой неравномерностью, а иногда сопровождаются непрогнозируемым выбросом воды, что чревато возможностью возникновения аварийных ситуаций. Выход шахтной воды на поверхность приводит к подтоплению сельскохозяйственных земель, проседанию поверхности под зданиями и сооружениями, а также к загрязнению поверхностных водоемов. На территории ликвидируемых шахт расположено множество породных отвалов, в которых складированы отходы угледобычи. В отвальной массе содержится уголь, различные вредные химические соединения (сероводород, соли тяжёлых металлов), которые образуют в атмосфере и водоёмах токсичные растворы в концентрациях, превышающих ПДК. Детальный анализ документации геологоразведочных и горно-эксплуатационных работ на месторождениях Восточного Донбасса позволил авторам оценить строение углепородной толщи с точки зрения её влияния на развитие негативных экологических последствий при ликвидации угольных шахт. На рассматриваемой территории геологическая среда содержит несколько десятков угольных пластов. Характерным последствием горных работ является деформация земной поверхности. В результате совокупного воздействия природных и техногенных факторов, углепородный массив кардинально изменился, что предопределяет появление новых аспектов его поведения с точки зрения влияния на экологическую обстановку в регионе. Из анализа полученных данных с учётом объемов выработанного пространства в массиве, составляющих для каждой шахты 5-20 млн. м3, можно сделать вывод о масштабности формирования общих подземных техногенных горизонтов. Так, например, шахты Несветаевского угольного района (Ростовская область) имеют объединённую сеть горных выработок, что в результате затопления привело к образованию единого техногенного водоносного горизонта общим объёмом около 25 миллионов кубических метров. Негативный характер процесса усиливается качеством выходящей шахтной воды, которая характеризуется следующими параметрами: рН – 5-6, железо – 50-270 мг/л, сухой остаток – 4800-12200 мг/л.

Применительно к условиям Восточного Донбасса справедливы следующие выводы:

– под влиянием перераспределения запасов подземных вод и техногенного изменения их режима происходит подтопление земной поверхности, выражающееся в появлении на пониженных участках водоемов, окружённых зонами с высокими уровнями грунтовых вод;

– факторами, определяющими размеры зон подтопления, являются литологический состав подрабатываемой толщи, условия питания и разгрузки подземных вод, рельеф земной поверхности, гидрографическая сеть;

– подъём уровня подземных вод и их интенсивное испарение в приповерхностных горизонтах приводят к сокращению зоны аэрации, а также к снижению продуктивности земель, выводу из строя подземных коммуникаций, ухудшению условий эксплуатации фундаментов зданий и источников водопользования.

Динамический режим подземных вод определяет условия переноса твёрдых и газообразных веществ в подземной среде. В частности, при продолжительном подъеме шахтных вод происходит практически полное вытеснение из горных выработок на поверхность земли и в водоёмы больших объёмов шахтного воздуха, характеризующегося повышенной концентрацией вредных газов (метана, окиси углерода, углекислого газа). Неконтролируемое развитие описанных гидравлических процессов в выработанном пространстве шахт может вызвать опасные последствия:

• –    загрязнение минерализированными и токсичными шахтными водами подземных и поверхностных источников водоснабжения;

• –    заболачивание сельскохозяйственных земель;

• –    вытеснение газовых смесей из массива на дневную поверхность;

• –    деформация земной поверхности.

Параметры возможных негативных событий будут определяться: объемом подземных вод, скопившихся на конкретной территории, скоростью подъема уровня затопления, концентрацией химических элементов в шахтной воде и вредных газов в подземной атмосфере, размерами горных выработок и геологических нарушений.

Следовательно, приоритетным направлением экологических исследований должны стать наблюдения за динамикой затопления шахт и связанными с ним процессами в режиме мониторинга на территории региона [3]. В рамках отслеживания данного процесса необходимо выполнять систематические наблюдения, оценку и прогноз следующих изменений состояния техносферы:

• –    подъёма уровня шахтных и грунтовых вод;

• –    изменения химического состава подземных вод;

• –    загрязнения поверхностной водной среды;

• –    образования искусственных подземных и поверхностных водоёмов;

• -    выделения загрязненного шахтного воздуха в подвалах жилых домов и административных зданий;

  -засоления и загрязнения токсичными элементами плодородных почв.

Для надёжной оценки экологической обстановки в зонах влияния ликвидируемых шахт необходимо контролировать:

• -    динамические параметры шахтных вод (абсолютный уровень, скорость подъёма);

• -    химический и бактериологический состав подземных и поверхностных вод;

• -    содержание в почве тяжёлых металлов, углеводородов;

• -    оползневые процессы.

Показатели, определяемые в режиме гидромониторинга, являются экологическими индикаторами процесса ликвидации шахт, поскольку они характеризуют значимые для окружающей среды и здоровья населения загрязнения ОС. Для решения задачи управления с помощью системы поддержки принятия решения, какой, в сущности, является система мониторинга, необходим комплекс технических средств. К измерительному комплексу предъявляются следующие техникоэкономические требования: эффективное решение задач при минимальных затратах; программная и техническая совместимость; реализуемость. Оперативность, экономичность и надежность информации достигаются применением:

• -    специальных методик и технологий измерений;

• -    современных линий связи (электронная почта, радиосвязь);

• -    мобильных групп, которые снабжены малогабаритными компьютеризованными приборами для измерения соответствующих параметров, их первичной обработки и передачи в аналитический центр.

Научной основой регионального мониторинга служит методология шахтной геофизики, которая на базе системного подхода к изучению углепородного массива и приповерхностной среды устанавливает методы, средства и порядок исследований [1]. В частности, при исследовании сложных систем, характеризующихся пространственно-временной изменчивостью геометрических параметров и физико-химических свойств, необходимо использовать комплексирование методов с различной физической основой. Оптимальным считается комплекс методов, который позволяет решить поставленную экологическую задачу с наименьшей затратой времени и средств. В комплекс могут быть включены следующие виды работ: геофизические исследования строения горного массива, гидрогеологическое обследование, литогеохимическое опробование.

В соответствии с перечнем решаемых задач нами определены следующие технические средства для их осуществления:

• -    аппаратурные комплексы для исследования строения геологической среды;

• -    мобильные и стационарные приборы для измерения уровня шахтных вод и контроля подземной атмосферы;

• -    лабораторные анализаторы проб почвы, жидкостей и газов;

• -    комплексы автоматической связи.

Для предотвращения потенциально опасных ситуаций необходимо:

• -    проводить детальные геолого-геофизические исследования строения углепородного массива с целью выявления пустот;

• -    предусматривать в проектах ликвидации резервные технические мероприятия, направленные на стабилизацию процесса;

• -    разработать механизм корректировки проектных решений в случае возникновения «нештатной» ситуации;

• -    разрабатывать «пессимистические» и «оптимистические» сценарии развития событий.

Во избежание экологических аварий следует проводить на шахтных полях геофизические исследования в целях выявления и картирования нарушенных зон. Выполнение площадных наблюдений данными методами обосновывается их более высокими технико-экономическими характеристиками по сравнению с другими способами измерений. Основным источником текущей информации о состоянии подземной гидросферы являются наблюдательные сети, которые формируются из пунктов наблюдений (скважин, стволов, шурфов). Количество и схема расположения наблюдательных пунктов, периодичность измерений определяются на основе системного анализа горно-геологических, горнотехнических и технико-экономических условий проведения исследований загрязнения подземных и поверхностных вод. Предлагается следующий порядок формирования наблюдательных сетей:

• -    определяются характерные точки территории горного отвода шахты, измерения в которых позволят получить информацию о состоянии гидросферы;

• -    рассчитывается оптимальная сеть наблюдений;

• -    разрабатывается схема изменения конфигурации наблюдательной сети во времени по мере подъёма уровня подземных вод;

• -    выбираются участки для геофизических исследований массива.

Количество точек наблюдений определяется, исходя из оценки их вида и географического положения. Так, в число контрольных постов необходимо включать скважины, имеющие минимальные абсолютные отметки поверхности на данной площади, т.е. расположенные на участках первоочередного подтопления территории. Периодичность измерений уровня затопления выбирается, исходя из условий: минимизации затрат на выполнение работ и обязательной фиксации изменений скорости подъёма воды, приводящей к экстремальной ситуации. Важным элементом проектирования работ является определение даты начала гидрофизических наблюдений. Такой расчёт выполняется на основе прогнозной модели, по которой оценивается время выхода шахтных вод на дневную поверхность, и сетевого графика работ, определяющего максимальное время подготовки и проведения технических мероприятий.

Цель управления экологической безопасностью региона состоит в минимизации негативных воздействий, связанных с ликвидацией шахт, на окружающую среду. Инструментом управления служит система мониторинга, посредством которой реализуется экологическая программа. Управленческое решение должно содержать следующие элементы: прогноз развития экологической ситуации, комплексный план управляющих воздействий и программу мероприятий по их выполнению; перечень процедур контроля за ходом реализации принятых планов действий; методы, средства и ресурсное обеспечение проекта. Данная задача связана с экономическими вопросами, поскольку в процессе планирования определяются затраты на осуществление природоохранных проектов и издержки в случае наступления негативных экологических событий. При этом на основании анализа из множества альтернатив выбирается наилучший вариант плана с использованием кортежа принятых критериев (объёма работ, себестоимости работ, объёма финансовых средств, уровня безопасности).

Таким образом, в данной статье изложены авторские подходы к решению следующих задач:

• –    выявление и оценка значимости факторов, определяющих характер и масштабы экологических последствий ликвидации шахт;

• –    разработка методического комплекса выполнения экологических наблюдений;

• –    формирование оптимального набора технических мероприятий, направленных на предотвращение негативного воздействия ликвидационных работ.

Предложенные решения позволяют обеспечить на должном уровне безопасность жизнедеятельности населения угледобывающих регионов.