Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология, геокриология, 2020, № 4, стр. 21-28

ВВЕДЕНИЕ

Месторождение “Купол” было открыто в 1995 г. Имревеемским геохимическим отрядом под руководством В.В. Загоскина, а в 2007 г. началось его промышленное освоение (рис. 1).

Рис. 1.

Положение месторождения в переделах Охотско-Чукотского вулканогенного пояса (по О.Х. Цопанову, 1994). 1 – Охотско-Чукотский вулканогенный пояс; 2 – скальные, полускальные грунты (магматические, метаморфические и осадочные;) 3 – девонская система (средний-верхний отделы; 4 – меловая система (Кампанский ярус); 5 – неогеновая система (плиоцен); 6 – каменоугольная система (верхний отдел)-пермская система; 7 – архей (древнее 2500 ± ± 50 млн лет); 8 – триасовая система (нижний и средний отделы); 9 – кембрийская система (нерасчлененные отложения).

В разрезе рассматриваемого района прослеживается комплекс осадочных, вулканогенно-осадочных, вулканогенных и эффузивных пород меловой системы, подразделенной на нижний и верхний отделы. Породы месторождения “Купол”, приуроченного к Каймравеемскому рудному узлу, отнесены к средней и верхней толще верхнего мела (${\text{K}}_{2}^{2}$–${\text{K}}_{2}^{3}$) (рис. 2). Среднее содержание золота в рудных телах месторождения составляет 10–25 г/т, серебра 80–270 г/т. Запасы и ресурсы месторождения, классифицированные в соответствии с международными стандартами, составляют 188 т Au и 2377 т Ag (данные компании Kinross Gold по состоянию на 01.10.2007 г.) [4, 2 ].

Рис. 2.

Районы распространения водоносного комплекса эффузивных пород мелового возраста [3]. 1 – водоносный комплекс эффузивных пород мелового возраста; 2 – граница систем вулканогенных супербассейнов и их номера: I – Приохотская, II – Эвено-Чаунская, III – Восточно-Чукотская, 3 – граница описываемой территории.

В силу специфики структурно-тектонической обстановки прослеживается высокая степень дезинтеграции пород, обусловленная наличием разрывных нарушений, складчатости, слоистости и трещиноватости различного генезиса.

Месторождение приурочено к зоне многолетнемерзлых пород (ММП), мощность которых на рассматриваемом участке варьируется в пределах 250–300 м. Поскольку глубина отработки месторождения достигает и превышает 500 м, то горные выработки в настоящее время проходятся в зоне ниже подошвы ММП.

Пространственно Охотско-Чукотский вулканогенный пояс совпадает с водоразделом Северного Ледовитого и Тихого океанов [5]. При ведении горных работ принципиальное значение имеет криогенный массив эффузивных и интрузивных пород (К₂), к которому приурочены криопэги, и локально-водоносная (подмерзлотная) зона трещиноватости вулканогенных и вулканогенно-осадочных пород (ЛВЗТ, К₂).

По результатам специализированной съемки в горных выработках, на горизонте +440 м от поверхности (глубина 68 м) было установлено наличие криопэгов, имеющих аномальную минерализацию 445.27 г/дм³, по химическому составу они хлоридно-сульфатные, кальциево-магниевые с весьма низким значением pH 1.96.

Как показали результаты исследований, высокая минерализация криопэгов была установлена в Восточной Сибири, при этом они прослеживаются как в толще ММП, так и ниже ее подошвы. Криопэги формируются при вымораживании пород за счет концентрации солей, растворенных в подземных водах [1].

В настоящее время на месторождении не осуществляется контроль подземных вод, прежде всего, подмерзлотных. На руднике специальные гидрогеологические исследования не проводятся, и отсутствует система мониторинга за их проявлениями.

В большинстве случаев интенсивное поступление воды в горную выработку связано с характером трещиноватости пород – степенью раскрытия трещин, их протяженностью, наличием заполнителя и др. В качестве примеров можно привести результаты наблюдений за водопроявлениями:

• трещинно-поровая проницаемость характерна для пепловых туфов, которые в геологическом описании обозначены как туфы андезитов. Излив вод происходит по всей поверхности и слабо раскрытым трещинам (рис. 3);

Рис. 3.

Концентрация стока анкером крепления при трещинно-поровой проницаемости пород.

• трещинная проницаемость характерна для массивов плотных пород со слабой трещиноватостью – дайки, выполненные риолитами, базальтами, андезитами (рис. 4);

Рис. 4.

Породы с трещинной проницаемостью.

• трещинно-жильная проницаемость свойственна туфам разного состава с высокой степенью трещиноватости; излив вод происходит в основном по зияющим раскрытым трещинам (рис. 5).

Рис. 5.

Трещинно-жильная проницаемость в туфах.

В настоящее время на глубине ведения горнопроходческих работ (500 м) наблюдается частичное затопление забоя, что снижает скорость работ: при заданной паспортом величине проходки за один цикл 4.2 м, фактически этот показатель за счет обводнения уменьшается в 2 раза (рис. 6).

Рис. 6.

Разгрузка подмерзлотных вод на горизонте +0 м (Северный участок месторождения “Купол”).

Теория и практика ведения горных работ показывает, что подземные воды могут оказывать существенное воздействие как на формирование и изменение напряженно-деформированного состояния массива, особенно при напорных режимах подземных вод, так и на их коррозионную способность по отношению к конструкционным материалам крепления.

Особое внимание следует уделить химическому составу подземных вод и их агрессивности по отношению к конструкционным материалам крепи. На месторождении “Купол” в силу высокой степени дезинтеграции пород, о чем говорилось выше, применяются такие виды крепления, как трубчатые фрикционные анкера в паре с металлической сеткой, торкрет бетон и трос-анкера.

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ПОДЗЕМНЫХ ВОД ПОДМЕРЗЛОТНОГО ВОДОНОСНОГО ГОРИЗОНТА И ЕГО ВЛИЯНИЕ НА МАТЕРИАЛЫ КРЕПИ

Химический состав подмерзлотных вод – сульфатно-гидрокарбонатный, либо сульфатно-хлоридный натриево-кальциевый с повышенной минерализацией 3–5 г/дм³ (табл. 1).

Повышенное содержание сульфатов объясняется окислением сульфидов, которые присутствуют в рудном теле. Повышенные содержания кальция и магния связаны с выщелачиванием подземными водами не только вмещающих горных пород, но и торкрет бетона, который широко используется в качестве вторичного крепления трещиноватых горных выработок.

Обращает на себя внимание также высокая жесткость воды, которая определяется присутствием щелочноземельных и щелочных ионов. Такая жесткость предполагает значение pH > 8. Однако полевые замеры этого показателя в водопроявлениях в горных выработках свидетельствуют о наличии нейтральной обстановки (pH 7.0). Обычно снижение щелочности наблюдается за счет содержания в воде органических кислот биогенного и абиогенного генезиса. Выполненные лабораторные исследования химического состава подмерзлотных вод по расширенному списку определяемых компонентов доказал присутствие органических соединений по величине перманганатной окисляемости, а также химическому потреблению кислорода (ХПК) (табл. 2).

Необходимо учесть, что пробы воды были привезены в Санкт-Петербург с перерывом между отбором и лабораторными исследованиями в 37 сут. Еще ранее нами было установлено, что содержание легко окисляемой органики при стоянии пробы 4–5 сут может снижаться на порядок, что не отмечается существующими регламентами на проведение химических анализов, следовательно, величина перманганатной окисляемости может быть повышена до 90 мг/дм³, и, соответственно, возрастает значение ХПК – общее содержание органики. Подмерзлотный водоносный комплекс относится к области затрудненного водообмена, что в сочетании с повышенным содержанием органики предполагает наличие восстановительной (бескислородной) среды с величиной окислительно-восстановительного потенциала Eh < 0.

В зонах проявления криопэгов следует учитывать их высокую агрессивность по отношению к металлическим конструкциям при их аномально высокой минерализации. Восстановительная среда в подмерзлотных водах предполагает развитие определенных видов коррозии металлов – электрохимических процессов Fe⁰ → Fe²⁺, которые приводят к утончению металлических конструкций (трубчатых фрикционных анкеров и металлической сетки) в зонах разгрузки подземных вод. Анализ химического состава подземных вод подмерзлотного горизонта свидетельствует о их коррозионной способности по отношению к бетонам и цементным растворам по содержанию сульфат-иона и соответственно о возможности развития наиболее опасной химической коррозии – сульфатной.

Как известно, разрушение цементов, содержащих алюминаты кальция, происходит с образованием гидросульфоалюмината кальция 3CaO ⋅ Al₂O₃ ⋅ ⋅ 3CaSO₄ ⋅ 31H₂O (эттрингита). Генерация этого цементоподобного минерала в форме кристаллогидрата сопровождается значительным увеличением объема, что приводит к возникновению кристаллизационного давления в толще бетона и его дезинтеграции. Дальнейшее разрушение фрагментов бетонов сопровождается выносом Ca²⁺, Mg²⁺ в условиях нейтральной среды подземных вод. Интенсивность выноса усиливается при наличии хлоридов и образовании хорошо растворимых солей CaCl₂, MgCl₂.

В местах контакта воды с крепью наблюдаются коррозионные разрушения металлической сетки в виде постепенного уменьшения диаметра проволоки с образованием рыхлых образований (рис. 7). Характер такого разрушения металла позволил предположить наличие биокоррозионных процессов, прежде всего за счет железоокисляющих и железовосстанавливающих бактерий, которые могут работать как психрофилы при низких температурах в условиях наличия питательных и энергетических субстратов, что подтверждается химическим составом подмерзлотных вод. Максимальная скорость развития железобактерий (Gallionella) фиксировалась при температуре ниже 4°С [6].

Рис. 7.

Места коррозионного разрушения металлической сетки и виды проявления коррозии на крепи (Северный участок месторождения “Купол”: а – горизонт +200, б – горизонт +185).

Первый цикл проведенных специализированных микробиологических исследований на биологическом факультете в Санкт-Петербургском государственном университете позволил установить богатый биоценоз психрофильных групп микроорганизмов путем посевов на питательные среды разрушенных материалов крепи и проб подземных вод. Однако, биокоррозионные процессы крепи в подземных выработках Чукотки являются отдельной темой самостоятельных работ, которые выполняются в рамках повышения безопасности ведения горных работ в условиях развития многолетней мерзлоты.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализируя мерзлотно-гидрогеологические условия месторождения “Купол”, необходимо заострить внимание на их уникальности и негативном влиянии на безопасность ведения подземных горных работ в виду возможного развития коррозионных процессов и затопления выработок.

1. В связи с наличием мощной толщи многолетнемурзлых пород (250–300 м) следует различать две зоны по глубине, характеризующиеся различным уровнем устойчивости. Верхняя – до глубины 250–300 м, располагается в зоне с отрицательными температурами и наличием льда-цемента в трещинах с различной степенью раскрытия, основные осложнения в этой зоне наблюдаются в летний период при подаче вентиляционного воздуха с положительной температурой и таянием льда. В нижней части разреза (глубже 300 м) в условиях отсутствия льда-заполнителя в трещинах пород отмечаются наибольшие сложности, определяемые не только ослаблением массива пород, но и в связи с разгрузкой минерализованных подмерзлотных вод гидрокарбонатно-хлоридных, либо гидрокарбонатно-сульфатно-кальциевого состава. Вода обладает сульфатной агрессивностью по отношению к бетонам и цементным растворам, способствует быстрому разрушению торкрет бетона. Разгрузка подземных вод в забое выработок резко снижает скорость их проходки.

2. Необходимы более детальная оценка проявлений криопэгов и их влияния на конструкционные материалы металлического крепления, а также составление карты их локализации в зоне работы рудника. Большинство работ по их изучению, в основном, проводились в Восточной Сибири, что не дает общей картины их происхождения в рассматриваемом регионе. Следует выполнить их полноценный химический анализ, который даст исчерпывающее представление об опасности их проявления. Присутствие таких вод носит негативный характер при буровзрывных работах на поверхности.

3. Проведенные натурные исследования горных выработок рудника “Купол” показали, что в зоне ниже подошвы многолетнемерзлых пород присутствуют активные водопроявления подземных вод, которые несут за собой такие негативные явления, как активизация коррозионных процессов в зонах их разгрузки и снижение скорости горнопроходческих работ.

4. Наблюдение за характером разрушения крепления горных выработок, в частности, металлической сетки и анкеров, дает основание предположить активную деятельность железобактерий (Gallionella), которые наиболее активны при низких температурах в условиях наличия питательных сред. Микроорганизмы хорошо развиваются в условиях обводнения при минерализации более 2 г/дм³. Подмерзлотные воды содержат все необходимые элементы для развития микробиоты (Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺, Fe, содержание углерода, серы, азота, кремнезема). В таких условиях активно работают психрофилы, активность которых хорошо проявляется при температурах ниже 4°C, захватывая и область отрицательных температур. Следует также учитывать, что под действием напряжений коррозия протекает более активно (стресс-коррозия).

5. В связи с вышеизложенными факторами необходима организация специализированного мониторинга за изменением химического состава подземных вод криопэгов и подмерзлотного водоносного комплекса, а также за развитием биокоррозионных процессов разрушения крепей.