|
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ЛЬВІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
імені Івана Франка
Бондаренко Мирослава Дмитрівна
УДК. 551.448:553.661.1:553.632 (477.8)
ДИНАМІКА І ПРОГНОЗ СТАНУ ГЕОЛОГІЧНОГО СЕРЕДОВИЩА
СОЛЯНИХ І СІРЧАНИХ РОДОВИЩ ПЕРЕДКАРПАТТЯ
Спеціальність 04.00.01 – загальна і регіональна геологія
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата геологічних наук
Львів – 2001
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана у Львівському національному університеті імені Івана Франка на кафедрі екологічної і інженерної геології та гідрогеології.
Науковий керівник – доктор геолого-мінералогічних наук, доктор географічних наук, професор Рудько Георгій Ілліч, Львівський національний університет імені Івана Франка, геологічний факультет, завідувач кафедри екологічної і інженерної геології та гідрогеології
Офіційні опоненти:
доктор геол.-мін. наук Галабуда Микола Іванович, Інститут геології та геохімії горючих копалин (м. Львів), головний науковий співробітник;
кандидат геол.-мін. наук Гайдін Анатолій Маркович, Академія гірничих наук України (м. Львів), завідувач відділення гірничохімічної сировини.
Провідна установа – Український державний геологорозвідувальний інститут Міністерства екології та природних ресурсів України.
Захист відбудеться “30” серпня 2001 р. о 1100 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.051.04 у Львівському національному університеті імені Івана Франка. Адреса: 79005, м. Львів, вул. Грушевського, 4, геологічний факультет, ауд. 219.
З дисертацією можна ознайомитись у науковій бібліотеці Львівського національного університету імені Івана Франка, вул. Драгоманова, 5.
Автореферат розісланий “16” липня 2001 р.
Учений секретар
спеціалізованої вченої ради Д 35.051.04,
кандидат геол.-мін. наук Є.М. Сливко
Загальна характеристика роботи
Актуальнiсть теми. Гірничодобувні підприємства є природно-техногенними системами (ПТС), що формуються в зоні активної взаємодії техногенного об’єкта і геологічного середовища (ГС) та мають обмежений період функціонування (Рудько, 1992). На сьогодні більшість ПТС соле- та сірконосної провінцій Західного регіону України перебувають на стадіях ліквідації і постліквідації, менша частина експлуатується.
Розробка родовищ калійних солей і сірки у Передкарпатті традиційними методами за останні десятиріччя посилила процеси просідання земної поверхні, провалоутворення, ерозії, суфозії тощо. У зонах карстопровальної небезпеки опинилися території шахт, кар’єрів і значні за площею ділянки за їхніми межами, що створило реальну загрозу проживанню населення.
Оскільки ризик активізації вилуговування евапоритів регіону існує на всіх періодах ПТС, у сучасних умовах карстонебезпечності територій родовищ особливо актуальною є проблема прогнозування і керованого контролю станом геологічного середовища, аналізу комплексних умов і чинників механізму й динаміки карсту з метою його локалізації, повної стабілізації й управління (інженерного захисту) на кожному з етапів функціонування копалень.
Зв’язок роботи з iншими науковими дослiдженнями. Обраний напрям дослiджень тiсно пов’язаний з тематикою робiт еколого-геологiчного центру ДГП “Захiдукргеологiя”, ВАТ “Гірхімпром”, ДГХП ”Сiрка”, геологiчного факультету Львівського національного університету імені Івана Франка та iнших провiдних геологiчних органiзацiй України. Він є складовою частиною фундаментальної держбюджетної наукової теми по лінії МОІН “Техногенно-екологічна безпека геологічного середовища (наукові і методичні основи)” (реєстраційний номер програми “10.02. – МВ/**-99”), наукового проекту “Моніторинг небезпечних природних та техногенних геологічних процесів на території Львівської області та інженерний захист будівель, споруд і земель” (згідно з розпорядженням голови Львівської ОДА № 895 від 14.08.2000 р.).
Об’єкт дослiджень: геологiчне середовище калійних i сiрчаних родовищ, його стан у просторі й часi, гiрничодобувнi пiдприємства як природно-техногенні системи.
Предмет дослiджень: карстові процеси i явища в межах природно-техногенних систем соляної i сiрчаної провiнцiй Передкарпаття.
Мета роботи: з’ясування i дослiдження закономiрностей розвитку й динамiки техногенно зумовленого i техногенно активiзованого карсту для рiзних типiв геологiчного середовища з метою обґрунтування iнженерного захисту процесонебезпечних природно-техногенних систем рiзних стадiй функціонування соляних і сірчаних родовищ Передкарпаття.
Завдання досліджень:
- вивчення регіональних закономірностей природних умов i чинникiв геологiчного середовища у розвитку карсту;
- аналiз i оцiнка техногенної дiяльностi в межах калійно-соленосної та сiрконосної провiнцiй Передкарпаття як провiдного чинника формування й активiзацiї небезпечних геологічних процесів;
- вивчення сучасного стану геологiчного середовища в межах гiрничодобувних пiдприємств, виявлення та оцінка змiн ГС у зв’язку з експлуатацією родовищ калійних солей i сiрки;
- з’ясування закономiрностей механiзму й динамiки розвитку карстових процесiв, вивчення морфологiї карстових форм у межах сiрчаних i соляних родовищ;
- створення спецiальних моделей стану ГС природно-техногенних систем на рiзних стадiях їх функцiонування;
- оцiнка iнженерного ризику територiй впливу сiрчаних i соляних гірничодобувних пiдприємств Передкарпаття;
- обґрунтування заходів з iнженерного захисту карстонебезпечних територiй ПТС рiзних стадiй функцiонування в межах соленосної i сiрконосної провiнцiй.
Наукова новизна одержаних результатiв:
- З’ясовано нові закономiрностi розвитку небезпечних карстових процесiв у зв’язку з розробкою родовищ сірки і калійних солей Передкарпаття.
- Розкрито механізм і динаміку техногенно зумовлених карстових процесів, реальні й потенційні причини та чинники їхньої активізації в часі та просторі.
- На основi узагальнення матерiалiв уточнена оцiнка ризику карстонебезпечностi територiй родовищ сiрки i калійних солей.
- Розроблено методичні аспекти ліквідації відпрацьованих гірничих підприємств з перевіркою ефективності відновлення природних умов шляхом затоплення на прикладі калійного рудника “Калуш” та Розвадівського родовища глин.
- Вперше для дослiджуваних типiв геологiчного середовища розроблено науковi та методичнi основи підходу до розгляду гірничодобувних підприємств як природно-техногенних систем з позицій рiзних стадiй функцiонування.
На захист виносяться такі головні результати:
1. Встановлено просторово-часові закономірності розвитку і катастрофічної активізації гіпсового та калійно-соляного карсту Передкарпаття в межах гірничодобувних підприємств.
2. Запропонована нова методика оцінки небезпеки карстоутворення на підставі складання моделей стану ГС ПТС конкретних родовищ вiдповiдно до стадiй їхнього освоєння, лiквiдацiї та контролю в післяліквідаційний період.
3. Розроблена методика оцiнки iнженерного ризику, обґрунтування ефективності застосованих і доцільність запропонованих заходів з iнженерного захисту територiй родовищ сiрки (для постлiквiдацiйної стадiї – Розвадiвського, для стадiї лiквiдацiї – Язiвського родовищ) та калійних солей (для стадiї оптимальної розробки – Домбровського, Стебницького; пiслялiквiдацiйної – Калуського родовищ).
Практичне значення одержаних результатів. Удосконалено методику дослiджень ГС, яка дає змогу визначити закономірності розвитку карсту в техногенно-порушених умовах, оптимізувати процес моделювання стану ГС рiзних природно-техногенних систем. Виконаний аналiз умов геологічного середовища на родовищах сірки і калійних солей дає змогу прогнозувати техногенно-активізовані процеси карстоутворення i визначати методи їхньої стабiлiзацiї. Запропонований постадiйний iндивiдуальний захист ГС родовищ сiрки i калійних солей можна застосовувати на аналогiчних родовищах. Здійснена оцінка традиційних методів розробки калійних родовищ Передкарпаття засвідчила, що для збереження соляних покладiв вiд руйнування їх агресивними водами та зменшення iнтенсивностi карстоутворення відробка корисних копалин знизу догори є найоптимальнішою в умовах ГС соляної провiнцiї.
Результати дослiджень опублiкованi в наукових звітах, статтях i методичних рекомендацiях, використовуються в навчальному процесi.
Особистий внесок здобувача полягає у:
- проведенні польових маршрутних дослiджень протягом 1994–2000 рр., якi включали: вивчення умов залягання гiрських порiд, їхнього складу i структури; гiдрогеологiчне обстеження територiй; вивчення рельєфу як чинника карстоутворення; вивчення i систематизацiю морфологiї поверхневих i пiдземних карстових форм, їхнє поширення; виявлення конкретних дiлянок розвитку екзогенних геологiчних процесiв (ЕГП); визначення ступеня їхнього впливу на народногосподарськi об’єкти; вивчення й аналіз водоприпливу в гiрничі виробки; порiвняльну характеристику стану ГС у часi;
- виконанні розрахунків карстової денудації й активності карстового процесу в сульфатах на Язівському родовищі;
- проведеннi контрольних i режимних спостережень у свердловинах, кар’єрах, шахтах;
- створеннi баз даних, побудові фактографiчних i картографiчних моделей стану ГС рiзних ПТС;
- виконанні обчислень з метою оцiнки ризику карстонебезпечностi територiй;
- узагальненні фондового й опублiкованого матерiалу (ДГП “Захiдукргеологiя”, ВАТ “Гірхімпром”, ДГХП “Сiрка”, Інституту галургiї, ДГХП “Полімінерал”, данi метеоспостережень), результатiв дослiджень (1985–1998) Захiдного еколого-геологiчного центру, якi виконувалися за участю наукового керiвника.
Основний об’єм дисертацiйних дослiджень виконаний самостiйно під науковим керiвництвом доктора геолого-мінералогічних та географічних наук, професора Г.І.Рудька.
Апробацiя результатiв дисертації. Головні положення дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на: щорiчних наукових конференцiях викладачiв i аспiрантiв Львiвського національного унiверситету iменi Iвана Франка (1996–2000); першій науково-практичнiй конференцiї “Проблемы охраны геологической среды” (Мiнськ, 1995); науковiй конференцiї, присвяченiй 50-рiччю геологiчного факультету ЛНУ ім. Івана Франка (Львів, 1995); 49-й науково-технiчнiй конференцiї наукових спiвробiтникiв, аспiрантiв та студентiв Лісотехнічного університету (Львів, 1996); на Мiжнароднiй науково-практичнiй конференцiї (Львiв, 1996); мiжнароднiй конференцiї “Экологическая геология и рациональное недропользование. Становление научного направления и образования” (Санкт-Петербург, 1997); науковому семiнарi “Екологiя та здоров’я жiнок i молодi” (Львiв, 1998); мiжнароднiй науково-практичнiй конференцiї “Кризовий та передкризовий стан довкiлля як результат техногенного впливу на геологiчне середовище, геоморфосферу“ (Львів, 1998); міжнародній конференції “Екологія і діяльність людини на переломі віків” (Люблін, 1999).
Обсяг i структура роботи. Дисертацiя містить вступ, 4 роздiли, висновки і список використаних джерел (166 найменувань), супроводжується 81 рисунком, 6 таблицями та трьома додатками. Текстова частина викладена на 111 машинописних сторiнках.
Публiкацiї. Основнi положення дисертацiї опублiкованi в 13-ти друкованих працях, що достатньо повно вiдображають змiст дисертацiї. З них чотири статті у провідних фахових виданнях [1–4], одна брошура [5], сім праць – у матеріалах і тезах [6–12] науково-практичних міжнародних та інших конференцій, одна стаття у періодичному виданні ПНР [13].
Автор щиро вдячна науковому керiвнику професору Г.I. Рудьку за постiйну увагу до дослiджуваних проблем, цiннi поради й консультацiї та допомогу на рiзних етапах виконання роботи. Висловлюю подяку головному геологу ВТВ пiдприємства ДГХП “Полiмiнерал” В.А. Бучинському за спiвпрацю й допомогу у збиранні польових матерiалiв.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У першому розділі “Геологічне середовище і його ресурсний потенціал” розглянуто питання передумов карстоутворення у Передкарпатті, які визначаються, здебільшого, літолого-стратиграфічними, тектонічними, геоморфологічними, природнокліматичними, гідрогеологічними і техногенними умовами геологічного середовища. Геологічне середовище (ГС) – динамічна система, яка охоплює частину земної кори, що задіяна господарською діяльністю.
У межах Передкарпатського передового прогину і південно-західної окраїни Східно-Європейської платформи закономірно зумовлене формування калієносної та сірконосної провінцій та їхнє подальше перетворення під впливом гірничодобувної промисловості. Розробка родовищ підземним шахтним способом, підземним вилуговуванням та відкритим способом є важливим чинником негативного впливу на геологічне середовище та його несприятливих змін.
У другому розділі “Закономірності розвитку, механізм і динаміка соляного та сульфатного карсту Передкарпаття” досліджений генезис, з’ясовані просторово-часові закономірності формування, розкритий механізм утворення, динаміка та катастрофічна активізація карстового процесу в евапоритових породах Передкарпаття. На основі польових обстежень вивчена та проведена систематизація морфології поверхневих і підземних карстових форм, виявлені конкретні ділянки розвитку карсту, обчислена в їхніх межах щільність карстових форм і ураженість карстом, зроблена порівняльна характеристика стану геологічного середовища в часі. Обстеження територій калійно-соляних і сірчаних рудників засвідчили збільшення кількості карстових форм, що дає підставу говорити про позитивну динаміку процесу.
З’ясовано, що механізм карстоутворення в розчинних породах Передкарпаття залежить, передовсім, від умов і чинників геологічного середовища, динаміка – від тривалості дії чинників та їхнього характеру.
Геологічне середовище родовищ калійних солей Передкарпаття за складністю і специфікою геологічних умов належить до двох (із чотирьох) типів (за класифікацією типів ГС калієносних басейнів – Семчук, 1995). Для ГС Калуш-Голинської групи характерне слабо похиле залягання шарів. Надсольова товща складена слабопроникними породами, що відокремлюють водоносні горизонти четвертинних відкладів; гірничі виробки розташовані по площі; карстові форми поширені в межах територій солевидобутку. ГС Стебницького родовища має складну будову. Контакт соляних відкладів з надсольовими породами переважно обводнений, причому розсоли й води верхніх горизонтів гідравлічно зв’язані між собою. Гірничі виробки розташовані одна над одною; карстові форми зосереджені в межах площ відробки солей.
Пониження гірничими виробками місцевого базису дренажу, формування депресійних лійок посилило динамічність надсольових вод і призвело до порушення протикарстової рівноваги практично на всіх соляних копальнях Передкарпаття. Шахти і кар’єри слугують штучними дренами, або зонами розвантаження розсолів. Причини появи водоприпливів різні в конкретних умовах, але всі вони пов’язані з недосконалою технологією відробки корисної копалини, що супроводжується порушенням соляного дзеркала, розкриттям вторинних змінених зон, по яких мігрують розсоли, обводнених тектонічних зон та ін. Вивчена залежність між величиною водоприпливів у гірничі виробки, кількістю атмосферних опадів, мінералізацією розсолів та активізацією карстових форм на поверхні землі.
Розробка родовищ калійних солей спричинила осідання поверхні, утворення підземних і поверхневих карстових форм, кількість яких зростає в часі через складні гідрогеологічні умови рудників. Наземні форми прояву соляного карсту на Домбровському кар’єрі представлені провальними лійками, понорами (у місцях виходу солей на поверхню), підземні – порами вилуговування, кавернами та ін. У межах Калуського родовища до керованого затоплення рудників протягом 15-ти років на земній поверхні активно формувалися провальні лійки внаслідок розмивання прісними четвертинними водами соляних порід. На території Стебницьких копалень підземні карстові форми представлені порами вилуговування, щілинами, промивинами, кавернами, понорами і камерами. Карстовим порожнинам у соленосних відкладах відповідають провальні лійки на земній поверхні, яка, разом із тим, зазнає просідання різної інтенсивності.
Основною закономірністю карсту в гіпсах Передкарпаття є умова взаємодії товщі, яка карстується з водотоком.
Найчутливішими до техногенного впливу через зміну напорів і швидкостей руху підземних вод є умови, що характеризуються закритим становищем гіпсової товщі відносно ерозійних урізів і розвитком у ній напірного водоносного горизонту.
Освоєння родовищ сірки і будматеріалів у смузі поширення сульфатів зумовило активізацію природно-історичних карстових процесів, формування нового механізму підземних і поверхневих деформацій. Водозниження в межах кар’єрів викликало зміну гідрогеологічних (гідродинамічних) режимів, унаслідок чого зросла інтенсивність розчинення та кількість провалоутворень, гідрологічних та інженерно-геологічних обстановок територій, що входять до зони техногенного впливу кар’єрів.
Виконані обчислення карстової денудації й активності карстового процесу в сульфатах у техногенно-порушених умовах. На Язівському родовищі кількісна величина карстової денудації становить, м3/рiк×км2: D73 р. – 1805; D85 р. – 21100; D90 р. – 19340 ; D98 р. – 17340; активність карстового процесу, %: А75 р. – 7,2; А85 р. – 84,8; А90 р. – 64,5; А98р. – 48,17 (обчислення М. А. Блоцького (1973) і автора).
Польові обстеження дали змогу систематизувати карстові форми рельєфу за розміром, генезисом і відносним віком на лійки, карстово-ерозійні западини і карстові поля. Ураженість поверхневим карстом і нерівномірність поширення карстових форм досліджених територій залежить від потужності порід, що карстуються, та їхньої глибини залягання, потужності й типу покривних порід.
Виявлена залежність утворення карстових лійок від величини водовідливу з кар’єра і кількості атмосферних опадів.
У третьому розділі “Постійно діючі моделі стану геологічного середовища природно-техногенних систем (ПТС) в межах соляної і сірчаної провінції Передкарпаття” наведено методику оцінки небезпеки карстоутворення на основі моделювання стану ГС ПТС конкретних родовищ відповідно до стадій їхнього освоєння або ліквідації. Визначено, що катастрофічний розвиток і активізація карстового процесу й різні форми його прояву зумовлені стадіями розвідки, експлуатації, ліквідації та постліквідації кожної з розглянутих ПТС. Спеціальні постійно діючі моделі стану ГС ПТС складені з метою контролю, прогнозу і управління (інженерного захисту) ГС у межах впливу сірчаних і калійно-соляних гірничодобувних підприємств (див. табл. 1).
Досліджувані родовища вивчались як ПТС, що мають обмежений період свого функціонування, після чого ліквідовуються. Досліджено ПТС, які перебувають у розвитку (Стебницькі солерудники ДГХП “Полімінерал”, Домбровський кар’єр концерну “Оріана”), які підлягають ліквідації (Язівський кар’єр ДГХП “Сірка”) і вже ліквідовані (Розвадівський кар’єр глин, калійний рудник “Калуш”). Підхід до оцінки природно-техногенних систем з погляду періодів їхнього функціонування (ієрархія ПТС) дає змогу розробити заходи з інженерного захисту на кожному з етапів (рівнів) розвитку цих систем і поєднати їх в єдине ціле.
Систематизовані моделі стану ГС ПТС відображають різні умови геологічного середовища, характер і параметри техногенного впливу. Вони характеризуються значним ступенем невизначеності і складаються з логічної і картографічної основ (представлені у вигляді комплекту різномасштабних карт (1:5000–1:50000), розрізів, графіків, схем, таблиць тощо) (див. табл. 2). Моделі стану ГС ПТС забезпечені певною інформаційною базою, основою якої є результати польових досліджень, відомості фондових і літературних джерел (зі всіх елементів ГС), дані з проектування та функціонування гірничодобувних підприємств, матеріали спостереження за динамікою та режимом підземних вод, матеріали геофізичних досліджень, оцінка основних видів техногенних навантажень тощо.
Кожна з ПТС спеціального рівня, які характеризують різні параметри зміни ГС, орієнтована на контроль за станом ГС залежно від його досліджуваного об’єму. Це вимагає точності оцінки характера управління періоду її функціонування. Наприклад, для Калуського рудника система контролю орієнтована на вивчення механізму провалоутворення в зоні відроблених соляних виробок. Контроль за станом Центрального каїнітового і Північного каїнітового полів необхідний у зв’язку з ліквідацією ПТС Хотинського поля, а також проблемою ліквідації (ділянка “Нова Голинь”) та конструювання (ділянка “Пійло”) ПТС Голинського родовища. Коректно вибраний і запропонований інженерний захист ГС ПТС різних стадій функціонування Калуш-Голинської групи родовищ дасть змогу досягнути стабілізації карстових, провальних і просадних процесів.
Таблиця 1
Спеціальні постійно діючі моделі стану ГС у межах різних природно-техногенних систем
Таблиця 2
Узагальненi карстологiчнi моделi в сульфатах і калійних солях Передкарпатської сірконосної і соленосної провінцій
Для Розвадівського кар’єру система контролю орієнтована на оцінку ефективності заходів із управління станом ГС. Дана модель принципово показує можливості інженерного захисту для стабілізації карстового процесу. Для Язівського сірчаного кар’єру система контролю орієнтована на дослідження закономірностей розвитку техногенно-активізованого сульфатного карсту.
У четвертому розділі “Інженерний ризик, прогноз стану ГС та інженерний захист процесонебезпечних територій” оцінено стан ГС ПТС калійних і сірчаних родовищ, що дає змогу однозначно говорити про подальшу активізацію карсту в умовах техногенезу, що у часі став безперервним (див. рис. 1).
Розвиток і активізація карстових процесів призвели до різкого зростання інженерного ризику територій калійно-соляних і сірчаних родовищ Передкарпаття. Здійснена оцінка інженерного ризику, яка включала в себе аналіз причин його виникнення і масштабів прояву в конкретних ситуаціях, передбачення імовірності виникнення, динаміки, наслідків карстового процесу (прогноз стану ГС) та обґрунтування рішень, що спрямовані на зменшення ризику шляхом управління (регулювання активізації карсту і зменшення його негативного впливу на довкілля засобами інженерного захисту). Інженерний ризик ПТС калійно-соляної і сірчаної провінцій Передкарпаття характеризується ураженістю об’єктів карстом і нестабільністю стану ГС гірничодобувних підприємств. Усі території впливу копалень віднесені до зон підвищеного інженерно-геологічного ризику, де дуже високі можливості реалізації небезпеки від розвитку карсту на різних стадіях функціонування природно-техногенних систем – експлуатації, ліквідації і постліквідації.
В якості інструменту наукового передбачення стану геологічного середовища калійних і сірчаних копалень виступили окремі алгоритми динаміки його певних елементів. Використано візуальні й логічні методи якісного прогнозу (обстеження територій з метою виявлення наслідків процесу; аналіз факторів і умов, метод геологічних і натурних аналогій); загальнонаукові засоби кількісного прогнозу (теоретична залежність між фактором і наслідком, використані емпірично встановлені закономірності); частково наукові засоби (ґрунтуються на зовнішніх ознаках, знакові (графічні) моделі).
Оцінка інженерного ризику визначила умови інженерної безпеки територій. Вони обґрунтовані методами і заходами з інженерного захисту, що попереджують або локалізують карстовий процес, та адаптовані для розглянутих ПТС різних стадій функціонування. Методи захисту ГС відображають досвід застосування раніше випробуваних і нових методик, що характеризують можливість їхнього раціонального використання.
Зона впливу Розвадівського кар’єру глин (ділянка “Димівка”). Реалізація методики управління ділянки “Димівка” (затоплення кар’єру і стабілізація карстопровальних процесів) є достатньо актуальною під час вибору засобів захисту від активізації сульфатного карсту для аналогічних інженерно-геологічних обстановок. Територія впливу Язівського рудника. Процес активізації карстоутворення в гіпсах Язівського родовища припиниться тільки після завершення водозниження в кар’єрі, а остаточно – після повного розчинення всіх сульфатно-карбонатних порід. Відновлення гідрогеологічного режиму шляхом керованого затоплення кар’єру стабілізує карст. Територія впливу Калуського рудника. Обґрунтування заходів з інженерного захисту ГС
| 
