Комплексная защита подработанной территории калийного рудника в Пермском крае РФ

Авторы:

Юрий Мамаев
Кандидат геолого-минералогических наук, ведущий научный сотрудник ФГБУН Института геоэкологии им. Е.М. Сергеева РАН

Алексей Ястребов
Кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник ФГБУН Института геоэкологии им. Е.М. Сергеева РАН

Аннотация

В статье дается инженерно-геологическая характеристика подработанной территории затопленного рудника Первого Березниковского калийного рудоуправления, шахтное поле которого распространяется под промышленной и жилыми зонами г. Березники. Описываются природные факторы развития суффозионно-карстовых процессов, деформаций и провалов земной поверхности. Рассматриваются комплексные мероприятия инженерного, административно-управленческого и социального характера, направленные на защиту территории и объектов, минимизацию ущерба от возможных природно-техногенных опасностей.

Первый Березниковский рудник был закрыт в 2006 году в результате аварии. Затопление всего выработанного подземного пространства спровоцировало нарушение стабильности грунтов, и в результате значительный жилой и промышленный массивы г. Березники оказались в зоне активных карстовых процессов. Конечно, постоянный мониторинг опасных природных процессов позволяет предупреждать чрезвычайные ситуации еще на ранних стадиях, но для минимизации негативных последствий необходим комплекс мер как в сфере территориального планирования, так и в области актуальной инженерной защиты.

Верхнекамское месторождение калийных солей (ВМКС) в Пермском крае расположено в границах Предуральского краевого прогиба, включающего крупнейшую в РФ залежь калийных солей площадью около 3,5 тыс. км2. Соляная толща общей мощностью более 200 м залегает среди отложений верхнепермского возраста пестрого петрографического состава на глубинах 250–450 м от дневной поверхности. В геологическом разрезе территории выделяются толщи терригенных, терригенно­карбонатных, соляно­ карбонатных, сульфатных и соляных пород. Разработка месторождения была начата в 1934–1936 гг. в городах Соликамск и Березники. Эксплуатация Первого Березниковского рудника (БКПРУ­1) была начата в 1954 г. Его шахтное поле простирается под промышленной и жилыми зонами г. Березники.

В 2006 г. на данном руднике произошла крупная техногенная авария, приведшая к затоплению всего выработанного подземного пространства объемом более 80 млн м3. Затопление рудника продолжалось два года и привело к образованию в июле 2007 г. грандиозного провала дневной поверхности с размерами в плане 300 × 400 м и глубиной около 90 м (рис. 1). Размер ущерба от этой аварии составил более 3 млрд руб. После затопления рудника и восстановления уровней поверхностных вод в речках, прудах и колодцах суффозионно­карстовые процессы в толщах горных пород продолжались и привели к образованию других провалов в 2010, 2011 и 2015 гг. (Рис. 2).

В настоящее время комплексные мониторинговые наблюдения выявили на рассматриваемой территории аномальные зоны деформаций земной поверхности, что также указывает на активно протекающие суффозионно­ карстовые процессы в толщах горных пород.

Территория г. Березники располагается в широкой излучине р. Камы на левом берегу Камского водохранилища на обширной поверхности первой надпойменной аллювиальной террасы р. Камы, имеющей превышения над естественным уровнем реки до 10 м (рис. 3). Мощность аллювия изменяется от 15–20 м, в прирусловой части до 5 м и меньше в тыловой части террасы. В тыловой части первой надпойменной террасы сохранились фрагменты второй и третьей надпойменных террас. Территория включает устьевые части долин трех рек — левых притоков Камы, ширина долин которых достигает 0,7–1,3 км. Долины рек хорошо разработанные, террасированные, имеют древние русловые переуглубления до 20 м. В границах промышленной зоны часть русел этих рек засыпана, другие подпружены с созданием водохранилищ (прудов). Наряду с высоким подпором от уровня воды Камского водохранилища это обусловливает подтопление территории.

В восточной части территории города аллювиальные террасы примыкают к коренному склону древней долины р. Камы, сложенному палеозойскими породами верхней перми, перекрытыми с поверхности элювиальными, делювиальными и техногенными образованиями небольшой мощности. В пределах коренного склона отметки поверхности увеличиваются в восточном направлении от 125 до 230 м.

В геологическом разрезе территории г. Березники ос­ нов ное значение имеют ко ренн ые породы верхнеп ермского возраста уфимского яруса (P2usl), которые залегают здесь с поверхности и перекрывают пласты солей, разрабатываемых подземными выработками. По преобладающему петрографическому составу пород сверху вниз выделяется несколько толщ: терригенно­карбонатная толщ а (ТКТ) мощностью более 140 м, представленная мергелями, глинистыми загипсованными известняками с прослоями песчаников, алевролитов и карбонатных глин; соляно­ мергельная толща (СМТ) мощностью до 70 м, сложенная мергелями с прослоями известняков, известковистых глин, гипса, включающая до 7 пластов каменной соли мощностью до 3 м; соляная толща (СТ) общей мощностью более 130 м, состоящая из мощных горизонтов каменной соли, вмещающих пласты калийных солей сильвинита и карналлита мощностью от 0,5 до 5,5 м. Последние являются полезными толщами, разрабатываемыми подземными выработками (рис. 4). В кровле данной толщи залегает покровный пласт каменной соли мощ ностью до 18 м. Наиболее глубоко залегающий пласт сильвинита (Кр II) мощностью 5,5 м также подстилается мощной толщей каменной соли. Покровный пласт каменной соли и пласт сильвинита Кр II, выдержанные по мощности и простиранию, являются маркирующими горизонтами в толще пермских отложений.

Покровный пласт каменной соли и необводненная соляно-мергельная толща общей мощностью 80–100 м являются водозащитной толщей (ВЗТ) по отношению к продуктивной соляной толще. Она удерживала до аварии 2006 г. нижний рассольный горизонт подземных вод с минерализацией до 300 г/дм3 мощностью более 30 м.

С поверхности на глубину до 80–90 м, а по сильно трещиноватым зонам тектонических нарушений — на сотни метров развиты процессы гипергенеза, разгрузки, выветривания, трещинообразования и карстообразования в условиях высокоагрессивной среды.

Территория имеет сложный структурно-тектонический план. Здесь выявлены многочисленные разновозрастные разрывные нарушения разных порядков, сформировавшие разноуровневую разломно-блоковую структуру массивов коренных пород. По всей рассматриваемой территории, даже в пределах смежных территорий (блоков) отмечается разновысотное залегание маркирующих горизонтов (солевых пластов). Разница в отметках залегания маркирующих горизонтов достигает 160 м. Здесь выделяется несколько систем тектонических нарушений: субширотная, субмеридианальная и северо-западная. Очевидно, существуют и другие системы трещин более высоких порядков. Они во многом определяют характер и режимы движения подземных вод, а также условия устойчивости массивов горных пород, в первую очередь на подработанных территориях.

На рассматриваемой территории выделяются два основных гидрогеологических комплекса подземных вод. Это комплекс четвертичных аллювиальных подземных вод и комплекс подземных вод в сложно построенной толще коренных осадочных пород пермского возраста. Комплекс аллювиальных подземных вод очень широко развит на данной территории в границах разноуровневых и разновозрастных аллювиальных террас. Преимущественно это пластово-поровые безнапорные горизонты, имеющие тесную гидравлическую связь, в том числе с уровнем Камского водохранилища. Питание инфильтрационное и за счет подпора Камского водохранилища, уровень воды которого циклически меняется от 101 до 108–109 м и превышает в периоды максимума отметки подошвы и поверхности аллювиальных отложений. Это позволяет камской воде в неограниченном количестве проникать вглубь территории, обводняя толщи четвертичных отложений и элювиированные и трещиноватые зоны коренных массивов. Это также способствует подтоплению и затоплению отдельных участков территории.

В комплексе подземных вод коренных пород пермского возраста в зависимости от условий фильтрации выделяются трещинно-грунтовые, пластово-трещинные, трещинно-карстовые и другие типы подземных вод. Минерализация и солевой состав вод весьма различны — от пресных до рассолов с минерализацией 300 г/дм3. Питание инфильтрационное и за счет перетекания из четвертичных водоносных горизонтов в выветрелые трещиноватые зоны. Разгрузка подземных вод частично происходит в древнюю переуглубленную долину р. Камы глубиной более 100 м.

Изысканиями и гидрогеологическими мониторинговыми наблюдениями установлены закономерности в изменении минерализации и химического состава подземных вод с глубиной и по простиранию. В верхней части вскрытого геологического разреза надсоляной толщи развиты пресные гидрокарбонатные, реже сульфатные воды с минерализацией до 0,3 г/дм3, в средней части — солоноватые и соленые сульфатные, сульфатно-натриевые воды, в нижней части — рассолы от слабых до высококонцентрированных с сульфатно-натриевым и хлоридно-магниевым составом.

Из опасных геологических процессов и явлений на территории Березниковского района необходимо выделить высокую сейсмичность (до 7 баллов), площадные оседания дневной поверхности над выработанным пространством, провалы дневной поверхности, активное развитие суффозионно-карстовых процессов, подтопление и затопление территории. Опасности экологического характера обусловливаются эрозионным размывом и фильтрацией через солеотвалы и хвостохранилища поверхностных и атмосферных вод, с образованием техногенных гидрохимических потоков высокой концентрации и агрессивности, загрязняющих поверхностные водоемы и реки.

Известно, что деформации и разрушения подрабатываемых массивов горных пород обусловливаются двумя группами факторов: техническими (технологическими) и природными (геологическими, геотехническими). К первой группе относятся выбранные способы и технологии производства работ, в т. ч. способы воздействия на горные массивы: механические, гидравлические, эксплозивные; проекты проходки соседних выработок; технологические режимы эксплуатации выработок и другие факторы.

Ко второй группе относятся условия залегания, состав и свойства горных пород, режим и свойства подземных вод, в т. ч. естественные или искусственные изменения уровней грунтовых вод в районе эксплуатируемого месторождения, проявления опасных геологических процессов.
Из неблагоприятных природно-техногенных факторов на территории г. Березники выделяются следующие:

• подработка территории подземными выработками большого объема, расположенными ярусно друг над другом;
• активизация карстово-суффозионных процессов в течение двухлетнего периода затопления подземных выработок на фоне ускорения в десятки раз процесса карстообразования в условиях значительного загрязнения поверхностных и подземных вод химическими элементами, в особенности свободной углекислотой (СО2);
• активный гипергенез толщ пород пермского возраста, залегающих с поверхности. Мощность зоны гипергенеза коренных пород, установленная геофизическими исследованиями на участках, перекрытых аллювиальными отложениями террас р. Камы, составляет 80–90 м, а по сильно трещиноватым зонам тектонических нарушений может распространяться вглубь на первые сотни метров;
• сложные гидрогеологические условия территории, характеризующиеся: разной, в том числе весьма высокой (до 300 г/дм3) минерализацией и пестрым химическим составом подземных вод; взаимодействием комплексов и отдельных горизонтов подземных вод; тесной гидравлической связью подземных вод с уровнем Камского водохранилища, а также разгрузкой подземных вод в переуглубленные долины р. Камы и ее притоков;
• изменение напряженно-деформированного состояния (НДС) массивов горных пород, вмещающих горные выработки в процессе их строительства, эксплуатации и затопления.

Важное значение для прогнозов развития опасных процессов имеют геотехнические оценки возможных напряжений и деформаций в массивах пород, устанавливаемые расчетами на математических моделях геологической среды. В частности, рассматривая условия и механизмы развития провалов (2007, 2010, 2011 гг.) на площади БКПРУ-1, необходимо выбрать и обосновать главные факторы и механизмы их формирования по двум гипотетическим схемам развития процессов, а именно:

1. Ослабление несущей способности целиков и стен камер, развитие деформаций в вышележащей толще, нарушение сплошности водозащитной толщи; поступление рассолов и минерализованных вод в подземные выработки, растворение целиков и стен камер, разрушение кровли подземных выработок с образованием купола обрушения и выходом последнего на поверхность в виде провала (Рис. 5).
2. Ослабление несущей способности целиков и стен камер, развитие деформаций в вышележащей толще пород и нарушение сплошности водозащитной толщи, как «спусковой крючок» для активного развития процессов вертикальной фильтрации, суффозии и карста в вышележащей терригенно-карбонатной толще, где быстро формируются карстовые пустоты, над которыми происходят провалы (Рис. 6). Формированию больших суффозионно-карстовых пустот способствуют следующие факторы: мощная зона гипергенеза и высокая трещиноватость коренных пород; долговременный (более 2 лет) промывной сверху вниз режим фильтрации подземных вод в подземные выработки; высокая растворимость карбонатных, сульфатных и галогенных пород, в том числе за счет химического загрязнения подземных вод, особенно свободной углекислотой.

С учетом сложных инженерно-геологических условий территории и масштабных природно-техногенных воздействий на геологическую среду были разработаны рекомендации по стабилизации обстановки и минимизации рисков на территории г. Березники, которые предусматривали комплекс инженерных, административно-управленческих и социальных мер.

На снижение угрозы подтопления и затопления территории промзоны г. Березники направлено предложение по снижению уровня Камского водохранилища на 1,5–2 м до отметок НПУ водохранилища 107 м, вместо современной отметки НПУ — 108,5 м. Это приведет к существенному улучшению гидрогеологических условий на участках, где размещаются промышленные и жилые объекты, расположенные на левом и правом берегах водохранилища на поверхности 1-й надпойменной террасы. Также это обусловит естественный дренаж грунтовых вод и, как следствие, приведет к осушению фундаментов и подвалов зданий, повысит плотность сложения грунтов, залегающих с поверхности, их сейсмическую жесткость.

Кроме того, это позволит уменьшить объемы пресных подземных вод, поступающих по сильно проницаемым аллювиальным отложениям террас песчаного состава в мощную зону выветривания (гипергенеза) массивов горных пород, снизить активность развития карстово-суффозионных процессов, повысить устойчивость территории, а также создать резерв емкости Камского водохранилища на случай возникновения катастрофических ливневых паводков на р. Каме и ее притоках при гидрометеорологических аномалиях.

Представляется необходимым рекомендовать наращивание высоты и мощности гидротехнических дамб, защищающих территории крупных предприятий с химически и радиационно опасными производствами. Отметки гребней реконструированных дамб и плотин должны быть не ниже 116 м.

Возведение новых объектов капитального строительства промышленного и жилого назначения должно вестись на территориях с отметками дневной поверхности не ниже 116 м. Это позволит полностью исключить угрозу воздействия процессов подтопления и затопления, обеспечит комфортные условия для проживания населения, а также благоустройства и озеленения территорий.

Массивы грунтов, вмещающие фундаменты наиболее ответственных и опасных объектов промышленных предприятий, необходимо укрепить геокомпозитными методами с применением цементно-глинистых растворов на глубину 6–10 м. Это повысит их несущую способность, сейсмическую жесткость и суффозионную устойчивость, снизит пустотность, проницаемость и размываемость.

Для этих же объектов желательно внедрение охранно-сейсмического мониторинга, с возможностью отключения источников энергоснабжения при природных или техногенных ЧС, превышающих проектные пороговые значения воздействий.

Важнейшим аспектом предупреждения ЧС природного характера остается комплексный мониторинг опасных природных процессов. Методы мониторинга могут дополняться, совершенствоваться, но при этом должны применяться постоянно.

В настоящее время на рассматриваемой территории проводятся комплексные мониторинговые наблюдения, в т. ч. сейсмологические, геодезические, геофизические, режимные гидрогеологические, почвенные газогеохимические, дистанционные наземные и с применением космических технологий. Выполняются исследования на трехмерных математических моделях геологической среды по оценке условий фильтрации подземных вод, миграции загрязняющих веществ, изменений НДС массивов горных пород. На основе анализа получаемых данных составляются оперативные и временные прогнозы развития природно-техногенной обстановки, разрабатываются инженерные и управленческие меры, направленные на минимизацию технологических и социальных рисков.

К территориальным планировочным мерам следует отнести рекомендации по рациональному размещению объектов, в т. ч. заблаговременному переносу предприятий и переселению населения города из зон, где отмечается активное развитие опасных природных и техно-природных процессов, в первую очередь формирование оседаний и провалов земной поверхности. К этим же мерам относится строительство новых жилых объектов на территориях, расположенных вне границ подработанного пространства. При этом следует учитывать особенности структурно-тектонического плана района, чтобы не «посадить» новые объекты на зоны крупных тектонических нарушений с высокой трещиноватостью, деформируемостью и растворимостью горных пород.

Важной составной частью мероприятий по стабилизации ситуации на рассматриваемой территории является разработка и реализация общегородских (муниципальных) и объектовых схем и проектов инженерной защиты территорий и объектов от опасных природных и техно-природных процессов. Данные схемы и проекты характеризуются большим разнообразием применяемых инженерно-технических систем, а также методов их создания и контроля работоспособности и эффективности.

Целесообразным является создание системы управления подземными водными ресурсами района, предусматривающей уменьшение объемов подземного скважинного водозабора, экономию и защиту пресных вод, с целью снижения скорости подтягивания сильно минерализованных вод ближе к дневной поверхности, что может обострить проблему дефицита пресных подземных вод.

Предлагаемые и реализуемые в настоящее время комплексные защитные меры позволят существенно уменьшить количество и масштабы проявлений природно-техногенных опасностей, повысить устойчивость отдельных объектов и минимизировать риски от опасных природных и природно-техногенных воздействий.

Список литературы

1. Аварийные ситуации при строительстве и эксплуатации транспортных тоннелей и метрополитенов / С.Н. Власов, А.В. Маковский, В.Е. Меркин и др. — М.: ТИМР, 2000. 195 с.
2. Болотов А.А. К вопросу о происхождении провалов почвы в районе пос. Новая Зырянка (г. Березники) // Проблемы минералогии, петрологии и металлогении: сборник научных статей. — Пермь, 2000. С. 145–149.
3. Борзаковский Б.А., Мараков В.Е., Теннисон Л.О. Прогноз негативного влияния затопления рудника БКПРУ-1 ОАО «Уралкалий» на городскую и промышленную застройку г. Березники // Горный информ.-аналит. бюллетень. 2009. № 7. С. 381–396.
4. Красноштейн А.Е., Барях А.А., Санфиров И.А. Горнотехнические аварии: затопление первого Березниковского калийного рудника // Вестник Пермского университета. 2009. Вып. 2.
5. Красноштейн А.Е., Щукин В.А., Новоселицкий В.М., Лешков В.А., Чадаев М.С., Волковинский В.А. Направления и организация мониторинговых систем в горнодобывающих районах // Международная конференция «горные науки на рубеже XXI века». — Екатеринбург, 1998. С. 275–283.
6. Максимович Н.Г., Первова М.С. Влияние перетоков минерализованных вод Верхнекамского месторождения калийно-магниевых солей на приповерхностную гидросферу // Инженерные изыскания. 2012. № 1.
7. Мамаев Ю.А. Эколого-геологическая обстановка территорий старых металлургических заводов Урала // Тр. Междунар. конф. Эволюция инженерно-геологических условий земли в эпоху техногенеза». — М.: МГУ, 1997.
8. Осипов В.И., Барях А.А., Санфиров И.А., Мамаев Ю.А, Ястребов А.А. Карстовая опасность при затоплении калийного рудника в г. Березники Пермского края российской Федерации // Геоэкология. 2014. № 4. С. 356–361.
9. Осипов В.И., Шойгу С.К. и др. Природные опасности России в 6 тт. Т. 1. Природные опасности и общество. — М.: КРУК, 2002. 248 с.
10. Петротектонические основы безопасной эксплуатации Верхнекамского месторождения калийно-магниевых солей / Под ред. Н.М. Джиноридзе. — СПб.; Соликамск, 2000. 392 с.
11. Трофимов В.И., Кочнева М.Н. Гидрогеологическое прогнозирование карстовых процессов на шахтном поле БКПРУ-1 ОАО «Уралкалий» //Горное эхо. Вып. 2, ГИ УрО РАН. — Пермь, 2012. С. 33–45.

Юрий Мамаев

Связаться Юрий Мамаев

Кандидат геолого-минералогических наук
Ведущий научный сотрудник ФГБУН Института геоэкологии им. Е.М. Сергеева РАН