Горнопромышленное производство

В последние десятилетия в жизни земной коры обнаружились неожиданные явления. Выяснилось, что естественный ход движения земной коры может изменяться в местах возведения крупных инженерных сооружений, на участках массовой добычи полезных ископаемых, на территории крупных городов. Человечество, того не подозревая, вмешивается в глубинную жизнь Земли. Особенно отчетливо, временами даже «нервно», земная кора реагирует на создание водохранилищ. Проникновение человека во все более глубокие горизонты земной коры заставляет уделять больше внимания воздействию человеческой деятельности на литосферу.

Добыча и переработка полезных ископаемых как один из основных аспектов деятельности человека сопровождается масштабным воздействием на окружающую среду. Деятельность рудников, карьеров, обогатительных фабрик и промыслов вызывает необратимые изменения окружающей среды в виде:

• разрушения земной коры;

• перераспределения в литосфере напряжений и горного давления;

• изъятие из оборота почв;

• загромождения отвалами земной поверхности;

• изменения характера атмосферных явлений и запыленности;

• изменения видов и количества флоры и фауны в окрестностях.

Глубина отдельных рудников в Южной Африке и Индии достигает 3800 м. Глубина угольных шахт в Европе доходит до 1300 м. Глубина рабочих горизонтов на рудниках Норильска превышает 1000 м. Глубина многих железорудных карьеров составляет 300 м. Глубина карьера по разработке кимберлитовой трубки в г. Мирном достигает 480 м.

К концу XX в. человек видоизменил исходные природные ландшафты более чем на половине площади суши. На долю разработки и освоения минерального сырья: угля, нефти, природного газа, металлических руд, минеральных удобрений, строительных материалов — приходится свыше 80% общего антропогенного воздействия на литосферу. Подземный и от­крытый способы разработки месторождений полезных ископаемых существенно влияют на водный, термический и геохимический режимы территорий расположения горнодобывающих комплексов. Наибольший экологический ущерб наносит открытый способ разработки. Изъятие горных масс из карьеров сопровождается их накоплением в отвалах, приводящих геологическую и окружающую среды в неравновесное состояние. Ежегодно в процессе ведения горных работ перемещается не менее 2∙10⁹ т горных пород.

В России действуют более 600 шахт и рудников с подземной добычей угля, руд черных и цветных металлов, минеральных удобрений и свыше 4000 карьеров и разрезов. В угольной промышленности на экологическую обстановку биосферы негативное влияние оказывают 230 шахт 65 разрезов и 74 обогатительные фабрики. Разработка месторождений горно-химического сырья осуществляется 35 карьерами и 20 рудниками. В железорудной промышленности открытым способом разрабатывается 5 месторождений.

Особенностью горного производства как вида техногенеза является его высокая концентрация в пространстве. Только в Свердловской области находятся в разработке или были отработаны за последние 30 лет более 200 месторождений твердых полезных ископаемых; в штате Вайоминг (США) — 45 рудников и 18 горно-металлургических заводов. Следующей особен­ностью комплекса является образование многочисленных от­ходов производства. В процессе добычи 1 т угля и стали образуется до 6 т отходов. На тонну добычи руд цветных металлов приходится не менее 100 т отходов и более 50 т при их переработке. Общее количество неутилизированных отходов горно­го производства в России превышает 50 млрд т. Рыхлые вскрышные породы являются источниками пыли для воздуш­ного бассейна, водотоков и почв прилегающих территорий.

Горнопромышленная деятельность человека осуществля­ется в российских регионах интенсивной добычи сырья: Донбассе, Кузбассе, Норильске, Урале и их аналогах за рубежом. Так добыча угля в России ведется в нескольких основных угольных бассейнах: Кузнецком, Канско-Ачинском, Печорском и Донецком.

В результате добычи полезных ископаемых природные ландшафты трансформируются в горнопромышленные ландшафты, а в земной коре происходят глубинные геологические процессы, оседание земной поверхности, техногенные землетрясения и горные удары. Так, в 1986 г. на одном из рудников

производственного объединения «Уралкалий» образовался провал диаметром 150 м.

Локальные прогибания земной коры (мульды) хорошо известны в угледобывающих районах Польши, Чехии, Германии, Англии, Японии. На территории Силезского угольного бассейна в Польше установлено общее прогибание бассейна относительно удаленных стабильных территорий. Средняя скорость прогибания в центре района достигает 3 мм/год, а по грани­цам участка отмечаются положительные вертикальные движения со скоростью 1 мм/год. Скорость оседания поверхности зависит от интенсивности угледобычи. Отдельные участки просели за период с 1957 по 1967 гг. на 2 м. В Чехии отмеча­лись опускания поверхности над угольными шахтами со ско­ростью 1,5 мм/сут. В Японии на двух угольных месторождени­ях за 50 лет эксплуатации отмечены опускания на 3,3 и 7,5 м. В Рурском, Донецком и Подмосковном угольных бассейнах величина проседания поверхности достигла нескольких метров при глубине разработок 300…700 м. Опасное оседание и сдвижение пород над выработками развивается тогда, когда толщина кровли превышает толщину отрабатываемого слоя менее, чем в 300 раз. Необходимо также учитывать, что проседанию поверхности способствует нагрузка в миллионы тонн, создаваемая отвалами пустой породы.

Ежегодно горными работами нарушается около 150 тыс. га земель. В мире в результате горнотехнической деятельности нарушено более 20 млн га земель. Например, в районе Курской магнитной аномалии горными работами нарушено свыше 30 тыс. га площадей, а вокруг каждого карьера в радиусе до 30 км образовались депрессионные воронки подземных вод.

Количество горных ударов, зафиксированных с 1970 г. на горных предприятиях России превысило 400. В апреле 1989 г. сила горного удара на Кировском руднике ПО «Апатит», который классифицирован как техногенное землетрясение, достигала 6 баллов. На руднике во всех выработках, пересекаемых тектоническим нарушением, произошли выбросы породы, разрушение крепи, деформация рельсовых путей. Сильные геодинамические события, обусловленные освоением недр, отмечены во многих странах.

Добыча подземных вод и глубокое водопонижение также вызывают изменение напряженного состояния водосодержащих и водоупорных пород и оседание земной поверхности. В результате откачки воды:

• происходит рост эффективных напряжений в водоносных породах и упругие деформации скелета горных пород;

• происходит формирование порового давления в водоупор­ных породах; в этом случае происходит отжатие поровой воды под действием возросшей нагрузки; этот деформационный процесс происходит по законам фильтрационной консолидации (ползучести).

Пример сжатия горных пород под влиянием глубокого водопонижения на Белозерском железорудном месторождении. Основной водоносный горизонт сложен песками мощностью 15 м и коэффициентом сжимаемости 4,5∙10^-3 МПа^-1. Под песками на глубине 300 м залегала толща мергельно-меловых пород мощностью 30м, считавшаяся условным водоупором. Сни­жение напора в водоносных песках на 200 м привело к сильному сжатию горных пород. Основная часть осадки произошла за счет уплотнения водоупорной мергельно-меловой толщи. Водоотдача этой толщи оказалась на порядок выше, чем у песков. Вода откачивалась с интенсивностью до 3 тыс. куб. метров в час. Общая осадка земной поверхности составила примерно 30 м. Сжатие вызвало деформацию крепи вертикальных стволов и потребовало разработки специальных защитных мероприятий.

Способ подземного захоронения промышленных и коммунальных стоков используется достаточно широко, потому что имеет немалые экологические преимущества. Еще в конце прошлого века в США действовало 680 полигонов глубокого подземного захоронения. Здесь главным требованием является надежная изолированность пласта-коллектора и отсутствие неотектонической активности региона. Закачка жидких про­мышленных отходов в глубокие горизонты также сильно из­меняет физико-химическое состояние литосферы. Таким образом, все основные технологии добычи и переработки полезных ископаемых являются в той или иной степени разрушающими литосферу.

Нефтегазодобыча

Нефтегазодобывающее производство способно оказывать мощное антропогенное воздействие на окружающую среду на дневной поверхности, а также вызывать глубокое преобразование земной коры. Случается, что геологические предприятия оставляют после бурения не заглушенные скважины, на устьях которых образуются кратеры. Многие из учтенных по­чти 3600 скважин фонтанируют, затапливая местность, а изливающаяся из оголовка скважины вода в ряде случаев содержит нефть. Нефтяники оставляют в земных недрах тысячи тонн металла в виде не извлекаемых обсадных труб.

Интенсивный отбор флюидов приводит к значительному снижению пластового давления. При этом нагрузка от веса вышележащих пород повышает напряжения в породном скелете пласта. В результате развиваются процессы с возникновением воронок оседания и сейсмических событий. Особенно часто эти процессы наблюдаются в старых нефтедобывающих районах. Например, землетрясения интенсивностью 7 баллов как результат интенсивного отбора нефти на Старогрозненском месторождении (Россия) ощущались в 1971 г. На старых месторождениях в пригородах Баку происходит оседание по­верхности, что является причиной смятия и поломки обсадных труб нефтяных скважин.

Явления механического разрушения пластов наблюдают­ся при фонтанировании нефтяных скважин. Так вынос песка из скважины Балаханского промысла (Азербайджан) за полгода составил 1540 м³, а из другой скважины вместе с фонта­ном за сутки было выброшено 3800 м³ песка. Известны случаи мощных подвижек верхней части земной коры, спровоциро­ванные интенсивной эксплуатацией нефтяных и газовых ме­сторождений. В нефтегазоносном районе Лонг-Бич (США) оседание поверхности за 30 лет эксплуатации месторождения достигло 7,6 м.

Флюиды, как наиболее подвижная компонента литосферы, чутко реагирует на движение земной коры и изменение напря­женно-деформированного состояния (НДС) недр. Например, на месторождениях Терско-Каспийского прогиба (Россия) макси­мальная добыча нефти совпала по времени с состоянием, ког­да весь Кавказский регион испытывал усилия сжатия со сто­роны Аравийской плиты. Синхронность между максимумом добычи и состоянием сжатия земной коры наблюдалась на всех промыслах Кавказско-Каспийского региона в период 1946—1984 гг. После наблюдавшегося снятия в 1978 г. текто­нического напряжения с горных пород пластовое давление в нефтегазовых залежах упало на 25 МПа, в результате чего про­изошел резкий спад добычи нефти по всем нефтегазовым объе­динениям Каспийского региона.

Совместный анализ геодезической и промысловой инфор­мации показал, что в пределах участков поднятий поверхнос­ти до 32 мм (состояние тектонического сжатия) добыча нефти имела тенденцию к увеличению. В пределах оседающих до 16 мм участков (ослабление усилий сжатия или состояние растяже­ния) наблюдалось резкое снижение добычи нефти. Механизм влияния современного напряженного состояния земных недр на флюидный режим залежей можно сравнить с механизмом отжимания наполненной водой губки. При оказании на нее внешнего давления (сжатии) из губки выжимается вода, а при отсутствии давления губка способна впитать большой объем воды. При планировании закачки жидкости в пласт необхо­димо учитывать пространственно-временные особенности динамики тектонического давления.

Разработка месторождений в ряде случаев провоцирует техногенные землетрясения. При интенсивном отборе флюидов, а также при интенсивной закачке в пласт жидкости могут возникать сейсмические события.

Таблица 4.8.Параметры типичных техногенных землетрясений на нефтегазовых месторождениях

Название месторождения	Год начала разработки, год начала регистрации сейсмичности	Глубина Разрабатывае-мой залежи, м	Глубина очага землетрясе-ния, м	Магнитуда (число землетрясений)
Газовое месторождение Лак (Франция)	1957; 1969	3500…4500	2500…3500	4,2 (около 1000 за 10 лет)
Нефтяное месторождение Gobies (Канада)	1960; 1979			3,5 (480 за 5 лет)
Нефтяное месторождение Cogdel (США)	1949; 1974		1900…2100	4,7 (20 за 11 лет)
Нефтяное месторождение Wilmington (США)	1926; 1947	760…1830		3,9
Нефтяное месторождение Долина (Украина)	1950;1976		2500…3000	6,0 (более100 в 1976 г.)

Техногенные сейсмособытия с очагами в продуктивной толще характеризуются магнитудой до 3,5, ас очагами выше или ниже пласта — до 4,5. На Старогрозненском месторождении в 1971 г. произошло землетрясение в 7 баллов с глубиной очага в 2,5 км в присводовой части залежи. Через несколько часов повторное землетрясение в 5 баллов было зарегистрировано на глубине 5 км. На территории Ромашкинского месторождения в 1986 г. зарегистрировано 15 землетрясений с глубиной очага до 10 км и силой в эпицентре в 5…6 баллов.

Примеры типичных техногенных землетрясений, произошедших на нефтегазовых месторождениях, приведены в табл. 4.8.

Проседание пластов и техногенные землетрясения ухудшают, а порой приводят в негодность нефтяные и газовые скважины. Положение очагов индуцированных землетрясений определяется разломами, которые предрасположены к сдвиговым деформациям. Спустя 15…20 лет после начала разработки месторождения часто происходит поверхностное разло-мообразование, которое особенно разрушительно по отношению к объектам обустройства нефтегазовых промыслов. При этом поверхностные трещины проникают на глубину до нескольких сот метров, а протяженность поверхностных разрывов порой составляет десятки километров.

Основным методом интенсификации добычи нефти является заводнение пластов. Закачка поверхностных, сточных вод, пластовых вод и внутрипластовое горение осуществляются для поддержания пластового давления. Для обработки призабойных зон используется закачка пара, кислот, щелочей, полимерных растворов, углекислого газа, поверхностно-активных веществ. Эти процедуры приводят к существенному изменению физико-химической обстановки в пластах горных пород.

Интенсивные оседания земной поверхности наблюдаются на десятках разрабатываемых месторождений. На многих из них осадки поверхности составляют несколько метров. Дно Северного моря над месторождением Экофиск (Норвегия) просело настолько, что высота верхних строений эксплуатационных платформ над уровнем моря снизилась до критической. Признаки оседания проявились также в форме разрушения обсадных колонн нескольких эксплуатационных скважин. На нефтяных месторождениях в районе озера Маракаибо (Венесуэла) опускание поверхности достигло 4 м и сопровождалось образованием системы трещин на земле шириной в десятки сантиметров и глубиной в несколько метров.

Исследования показывают, что осадка земной поверхности может превышать величину осадки продуктивного пласта за счет вовлечения в процесс сжатия соседних пород. Оседание может усилиться за счет эмиграции флюидов из смежных пластов-неколлекторов. Максимальные проседания происходят над участками залежи с высокими коллекторскими свойствами и наибольшими коэффициентами извлечения нефти. При этом случаются существенные горизонтальные смещения почвы, приводящие к деформациям инженерных сооружений.

Активизация глубинных и поверхностных разломов, осадки и горизонтальные сдвиги, массовые локализованные сейсмо- проявления и аварии на нефтепромысловых объектах прямо или косвенно связаны с изменением напряженно-деформированного состояния земной коры, вызванным как глобальными процессами, так и разработкой месторождений. С этой точки зрения разработку крупных нефтегазовых месторождений следует проводить с максимальной осторожностью. Делать это можно только после оценки экологического и технического риска с учетом возможных последствий для размещенных в регионе промышленных объектов и населенных пунктов.

4.6.3. Гидротехническое строительство

В 1935 г. в США было закончено сооружение крупнейшей по тем временам плотины Гувер на р. Колорадо. Началось заполнение водохранилища. Через год, когда уровень воды поднял­ся на 100 м, начались сейсмические толчки. Насколько они были неожиданными, показывает тот факт, что установка сейсмографов здесь не предусматривалась. Количество слабых землетрясений глубиной до 8 км измерялось тысячами в год. К1939 г. водохранилище было заполнено до объема 35 млрд м³. Вслед за этим произошло сильное землетрясение (М = 5,0), выделившее столько энергии, сколько все остальные вместе взятые. Последующие исследования (1938—1949 гг.) устано­вили тесную корреляцию между количеством выделяемой энергии и пиками водной нагрузки. В последние годы у плоти­ны отмечаются только микроземлетрясения. На других водохранилищах американские инженеры стали устанавливать сейсмографы. В результате на 10 из 68 водохранилищ была зарегистрирована возбужденная сейсмичность.

В 1961 г. началось заполнение водохранилища Койна в Индии объемом 2,78 млрд м³ с плотиной высотой 103 м. Слабые толчки начались после достижения половины проектного уровня и в дальнейшем их интенсивность и частота возраста­ли. В спокойной платформенной области, сложенной докембрийскими кристаллическими породами, в декабре 1967 г. про­изошло девятибалльное землетрясение. Значительное число афтершоков имело магнитуду до 5,4. Землетрясение унесло сотни человеческих жизней. Сама плотина была повреждена. Эпицентр землетрясения находился в 4 км от плотины. Землетрясение захватило огромную территорию радиусом до 700 км.

К тому времени были известны такие сильные землетрясения, как у плотины Синьфенкан (Китай; М = 6,1; 1962 г.), Кремаста (Греция; М= 6,2; 1966 г.) и др. Многочисленные, но несильные толчки отмечались в связи с заполнением водохра­нилищ во многих странах. Возбужденная сейсмичность хорошо изучена в окрестностях Нурекского водохранилища глубиной 300 м на р. Вахш в Таджикистане. Количество землетрясений стало увеличиваться сразу после начала заполнения в 1967 г. Максимум частоты был зафиксирован в 1972 г., когда водохранилище было заполнено до глубины 100 м. Сейсмическая деятельность приблизилась к поверхности Земли (95% толчков на глубине до 5 км). Землетрясения группировались под водохранилищем вблизи плотины. На втором этапе заполнения (лето 1976 г.) снова возросло число толчков.

Возбужденная сейсмичность наблюдается не только в пределах подвижных поясов Земли, но и на древних стабильных платформах. Обычно она имеет локальный и поверхностный характер, землетрясения концентрируются вдоль существующих разломов, эпицентры располагаются в 10…15 км от водохранилища. Активность усиливается после подъема уровня ВБ выше 100 м, вероятность толчков тем больше, чем большую площадь занимает водохранилище. По мере заполнения водохранилища сейсмособытия учащаются и усиливаются до некоторого максимального уровня, затем отмечается затухание сейсмоактивности. Периоды усиления и ослабления возбужденной сейсмичности могут продолжаться до 6…8 лет. Необходимо научиться предвидеть, в каких случаях могут произой­ти землетрясения, и какими будут их последствия.

Возбужденные землетрясения возникают на участках земной коры, где накопились естественные тектонические напряжения и земная кора подготовлена к сейсмособытиям. Дополнительная нагрузка, создаваемая человеком, перераспределя­ет напряжения в земной коре и служит своего рода «спусковым крючком». Оживление любого из разломов в зоне инженерных сооружений, находящихся под гидростатической нагрузкой, может стать для них угрожающим. В инженерной геологии для многих капитальных сооружений скорости вертикальных пе­ремещений свыше 1 мм/год признаются опасными.

К началу 70-х годов прошлого века в мире было известно 35 случаев усиления сейсмической активности в связи с наполнением водохранилищ. Это составляет около 12% от общего числа крупных водохранилищ. Возбужденная сейсмичность имеет следующее объяснение, которое в той или иной мере гипотетично:

• нагрузка от веса водохранилища прогибает всю толщу земной коры, нарушает ее изостатическое равновесие и тем самым изменяет напряженно-деформированное состояние (НДС) всей толщи литосферы на большой территории;

• увеличивается давление порово-трещинных вод, в результате чего снижается трение в зонах разломов (сопротивление сдвигу) и облегчается возникновение сейсмических подвижек.

О том, что в возбужденное состояние приходит вся толща земной коры, а не только ее верхний слой, свидетельствует ряд признаков. Наиболее показательные из них такие: поперечник областей погружения в десятки километров; расположение очагов землетрясений на глубине первых километров; возникновение сопровождающих смещений по разломам на расстоянии в десятки километров от зеркала водохранилищ.

Например, для правильной интерпретации современного состояния плотины Саяно-Шушенской ГЭС (СШГЭС) и происходящих в ее створе деформационных процессов необходимо помимо классических фильтрационных, тепловых и деформационных процессов рассматривать процесс, вызванный погружением всей толщи земной коры как упругой оболочки вместе с гидросооружением в вещество подстилающей вязкой мантии (рис. 4.1).

Земная кора в районе водохранилища СШГЭС под действием нагрузки в 30 млрд т медленно погружается в вязкое вещество подстилающей мантии. На периферии этого процесса происходит компенсационное поднятие земной коры. Погружение земной коры продолжается десятки лет, пока не наступит изостатическое равновесие. За годы эксплуатации величина прогиба земной коры в районе створа плотины может достигать 20 см.

Подобные масштабные процессы усиливают сейсмическую активность в районах строительства. СШГЭС не стала исключением. В период интенсивного заполнения водохранилища в зоне сейсмогенерирующей структуры на юго-западе от створа ГЭС было отмечено повышение сейсмической активности.

Рис. 4.1. Проседание и компенсационное поднятие земной коры под действием веса водохранилища Р:

а— общая картина проседания и поднятия участков земной коры: ОО — исходное положение земной поверхности; 10 — положение земной поверх­ности через 10 лет; 30 — положение земной поверхности через 30 лет; 1 — проседание (прогиб) поверхности; 2 — поднятие поверхности;

б—расчетная схема прогиба земной коры как упругой оболочки, плавающей в горячей вязкой магме: 3 — эпюра напряжений в земной коре; 4 — область локального воздействия веса сооружения; 5—упругая оболочка земной коры толщиной h; 6 — архимедова сила

В последние 10 лет в районе водохранилища ежегодно происходило от 39 до 107 землетрясений энергетического класса более 5,0. Можно предположить, что сильное землетрясение в марте 1994 г. (магнитуда 5,2) с эпицентром в районе г. Шагонар являлось техногенным. Таким образом, строительство крупных гидроузлов масштаба Братской, Красноярской и СШГЭС вызывает локально-изостатический отклик литосферы на созданную нагрузку.