Прогнозирование горно-геологических процессов на основе анализа подземного пространства рудника Купол как многокомпонентной системы (Чукотский автономный округ, Анадырский р-н)
Аннотация
Подземное пространство месторождения Купол анализируется как многокомпонентная система – горные породы, подземные воды, микробиота, газы (в том числе рудничная атмосфера) и несущие конструкции – металлическая крепь и торкрет-бетон (в качестве дополнительного вида крепления), а также закладочные материалы. Комплекс вмещающих пород имеет высокую дезинтегрированность за счет активной тектонической и вулканической деятельности в меловом периоде. Мощность многолетнемерзлых пород достигает 250-300 м. В 2014 г. в них было установлено наличие криопэгов с аномальной минерализацией и pH, что привело к разрушению металлических крепей и образованию вывалов. Подземные воды подмерзлотного водоносного горизонта по химическому составу хлоридно-сульфатные натриево-кальциевые с минерализацией 3-5 г/дм 3 . Согласно микробиологическому анализу в них присутствуют анаэробные и аэробные формы микроорганизмов, в том числе микромицеты, бактерии и актиномицеты. Деятельность микроорганизмов сопровождается генерацией сероводорода и диоксида углерода. Рассмотрены основные виды коррозии – химическая (сульфатная и углекислотная), электрохимическая и биокоррозия. К наиболее опасной относится биокоррозия, связанная с активной деятельностью микробиоты. Прогнозирование и систематизация горно-геологических процессов выполнены с учетом наличия двух зон по глубине – многолетнемерзлых пород и ниже подошвы мерзлоты, где в настоящее время ведутся горные работы. Показана важность оценки подземного пространства как многокомпонентной среды при прогнозировании горно-геологических процессов, что может служить основой создания и развития комплексного специализированного мониторинга в сложных инженерно-геологических условиях рассматриваемого месторождения.
Введение. Теория и практика мирового опыта освоения и использования подземного пространства (ПП) горнопромышленных регионов и мегаполисов свидетельствуют о том, что выбор технологии освоения обычно базируется на схематическом учете пород (грунтов) в разрезе и обосновании напряженно-деформированного состояния (НДС) массива (толщи) с использованием линейной, а чаще нелинейной (упруго-пластической) задачи оценки устойчивости выработок в период их строительства и эксплуатации. Однако выполненный комплексный анализ возникновения и развития аварийных и предаварийных ситуаций при решении поставленной проблемы в европейских странах и странах юго-восточной Азии диктует необходимость принципиального изменения такой концепции, как не отвечающей сложности реальных условий при решении задач повышения безопасности и эксплуатационной надежности, а также снижения риска при добыче полезного ископаемого (ПИ) подземным способом, либо освоению ПП в мегаполисах и крупных городах [5, 18].
Подземное пространство следует анализировать как многокомпонентную систему, в которой горные породы либо грунты (первый компонент) рассматриваются как вмещающая среда для подземных вод (второй компонент), которые характеризуются непостоянством гидродинамического режима, сложным химическим составом, изменчивостью физико-химических и биохимических условий в процессе производства подземных горных работ и эксплуатации подземных сооружений. Необходимо учитывать наличие и активную деятельность подземных микроорганизмов (третий компонент), которая должна рассматриваться с позиции ее влияния на породы, подземные воды, а также конструкционные материалы. К четвертому компоненту ПП относятся газы различного генезиса – биохимические (продукт деятельности микроорганизмов, прежде всего, в анаэробной среде), а также глубинные и каталитические. К пятому компоненту системы, который испытывает воздействие всех составляющих ПП, должна быть отнесена крепь подземных горных выработок. Обоснование выбора крепления в практике ведения горных работ обычно производится в зависимости от степени дезинтегрированности пород, их способности к развитию деформации толщи и формированию гравитационных процессов, типа и размеров выработки, ее глубины и ориентации в пространстве, а также срока службы.
В практике проектирования и эксплуатации подземных выработок обычно не уделяется должного внимания агрессивности воздействия подземных вод и газов различного генезиса, полностью игнорируется деятельность подземных микроорганизмов по отношению к материалам крепи.
Вопросами безопасности ведения горных работ в 21 в. в Санкт-Петербургском горном университете занимались: А.Н.Шабаров, Ю.И.Кутепов, Н.А.Кутепова, В.Л.Трушко, В.П.Зубов, А.Г.Протосеня и др., в том числе проблемами устойчивости подземных горных выработок на больших глубинах, оптимизацией систем разработки для повышения надежности при создании проектов эксплуатации новых месторождений [17, 34,35], геодинамического мониторинга [19], последствиям проходки горных выработок в обводненных массивах при угрозе прорывов подземных вод [20, 21].
Методология. Примером объекта, где был использован и успешно зарекомендовал себя подход к ПП как многокомпонентной системе в горной отрасли, служит Яковлевский рудник Белгородской группы месторождений КМА [10, 13, 15]. В течение 17 лет прогнозирование и управление опасными горно-геологическими процессами велось на основе анализа многокомпонентности подземной среды, при этом влияние подземных вод и специфика их химического и биохимического состава, а также физико-химические условия водной среды имели принципиальное значение при оценке безопасности ведения горных работ [11, 28]. Определение величины окислительно-восстановительного потенциала Eh, mV и кислотно-щелочных условий pH водоносных горизонтов проводилось непосредственно в подземных выработках. Изучение микробиологии и биохимии подземных вод было реализовано для трех основных водоносных горизонтов, что позволило оценить негативное воздействие микробиоты на закладку выработанного пространства из легких бетонов, а также причины преждевременного разрушения различных типов крепления, в том числе арочной крепи. На Яковлевском руднике впервые было определено негативное воздействие биохимических газов, таких как диоксид углерода и сероводород (продукт жизнедеятельности сульфатредуцирующих бактерий), а также воздействие глубинного газа – радона, который способствовал активизации микробной деятельности и соответственно биокоррозионных процессов. Характер разрушения материалов крепления под действием богатого биоценоза с участием железовосстанавливающих бактерий исследован с помощью методов сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) (рис.1).
Комплексация методов исследований (СЭМ и рентгенофазового анализа РФА) позволила установить характер коррозии металлического крепления путем образования новых железистых минералов: лепидокрокита (FeOOH) и гетита (α-FeOOH) под действием богатого биоценоза в подземных водах [4]. Образование оксогидрооксидов железа значительно ускоряет процессы коррозии, а увеличение объема вызывает напряжения в коррозионных слоях на металле, что приводит к возникновению трещин и прочих повреждений. Основные разрушения арочной крепи вызывают железовосстанавливающие бактерии за счет восстановления железа Fe0→Fe2+ и последующего ее выноса, что значительно ослабляет структуру металла и вызывает пластические деформации крепи под действием относительно невысоких величин горного давления.
Использование опыта оценки ПП как многокомпонентной системы на Яковлевском руднике дает возможность выполнить на той же основе прогнозирование горно-геологических процессов в подземных выработках месторождения Купол (рис.2), которое разрабатывается в толще многолетнемерзлых грунтов и приурочено к зоне Охотско-Чукотского вулканоплутонического пояса (ОЧВП). Отметим необходимость использования современных стратегий в технологических инновациях горнодобывающего сектора экономики [22]. Золото-серебряное месторождение Купол разрабатывается российским предприятием ОА «Чукотская горно-геологическая компания», входящим в группу канадской компании Kinross Gold Corporation.
Обсуждение.В разрезе месторождения прослеживается комплекс осадочных, вулканогенно-осадочных, вулканогенных и эффузивных пород верхних отделов меловой системы (К22-К23). Они представлены лавами флюидальных афировых риолитов желтовато-серой окраски и их туфами с явным преобладанием последних, которые залегают согласно на подстилающей средней толще верхнего мела. В составе толщи преобладают туфы, кластолавы и лавы риолитов и трахириолитов, реже – игнимбриты риолитового состава, андезиты, дациты и их туфы. Изучение петрографического состава руд в данном регионе отражены в следующих работах [1, 2, 7, 8, 23]
Месторождение Купол расположено на сочленении Средне-Кайемравеемского разлома меридионального простирания с Крестовско-Саламихинским разломом глубинного заложения 1-го порядка (рис.3) [9, 16, 26]. Породы по всей глубине разработки относятся к интенсивно трещиноватым согласно инженерно-геологической классификации: модуль трещиноватости по результатам бурения достигает 6-10 трещин на 1 м, расстояния между трещинами составляют 0,1-0,65 м [14]. Категория трещиноватости пород с помощью акустического показателя А1 на руднике Купол не определялась.
По результатам проведенных ранее исследований вмещающих горных пород были предложены в качестве основного вида крепления на руднике трубчатые фрикционные анкера с металлической сеткой, а на участках, подверженных интенсивному вывалообразованию, торкрет-бетон, полимерные смеси или трос-анкера. Опасность гравитационных процессов (обвалов, вывалов и др.) усугубляется производством буровзрывных работ при проходке выработок и добыче полезного ископаемого. Формирование вывалов чаще всего происходит по контактам трещин тектонических разломов, которые были зафиксированы при проведении специализированной съемки в подземных выработках: к наиболее опасным относятся участки с крупноблочной структурой массива, обычно приуроченные к зонам разломов (рис.4).
По результатам проведенной гидрогеологической съемки в 2014 г. в горных выработках, на горизонте + 440 м (глубина 68 м) в толще мерзлых породах было установлено наличие криопэгов, имеющих хлоридно-сульфатный, кальциево-магниевый состав, аномальную минерализацию 445, 27 г/дм3, и весьма низкие значения pH, равные 1,96. В зоне влияния криопэгов с высокой кислотностью наблюдалась интенсивная коррозия металлических конструкций – анкеров и сетки, что вызвало обрушение выработки на протяжении 40-50 м. Разрушенные анкера представляли «частокол» из обломков охристого цвета. Такие же цвета отмечались и для разорванной сетки рабицы. Наличие криопэгов установлено в Якутии, в тундровой зоне Колымской низменности на побережье Восточно-Сибирского моря и др. [3, 24,].
В настоящее время основной фронт развития горных работ сосредоточен ниже зоны многолотнемерзлых пород, где наблюдается активное проявление подмерзлотных вод с температурой 1-2 °С и минерализацией 3-5 г/дм3 [12] (рис.5).
В большинстве случаев интенсивное поступление подмерзлотных вод 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 андезитов, излив вод из них происходит по малораскрытым трещинам; трещинная проницаемость характерна для массивов плотных пород со слабой трещиноватостью – риолиты, базальты, андезиты; трещинно-жильная проницаемость свойственна туфам разного состава с высокой степенью трещиноватости – сосредоточенный излив вод происходит по зияющим раскрытым трещинам. Прогнозирование прорывов подмерзлотных вод в горные выработки практически не проводится, хотя еще на стадии изысканий было установлено, что подмерзлотный горизонт относится к напорным, верхним водоупором которого служит мощная толща многолетнемерзлых пород, достигающая на руднике Купол 250-300 м.
В настоящее время основная часть подготовительных и очистных работ находится ниже подошвы мерзлоты и соответственно повсеместное проявление подмерзлотных вод должно оцениваться с позиции уровня их опасности и вероятности затопления подземных горных выработок: из-за высокой обводненности забоя, при заданной техническим регламентом скорости продвижения забоя за цикл 4,2 м наблюдается уменьшение этого показателя в два раза. Такой показатель достигается применением современных средств механизации: бурение взрывных шпуров производится самоходной буровой установкой (СБУ) SandvikDD 420-40C с длиной буровой штанги 4915 мм; заряжание взрывных скважин механизированным способом с использованием пневмозарядчика Anfo42-01R, установленного на самоходное шасси и оборудованного гидравлическим подъемником. В качестве ВМ применяются гранулированные ВВ на основе аммиачной селитры; уборка взорванной горной массы производится погрузо-доставочной машиной CAT-1700 c объемом ковша 6,6 м3; крепление горной выработки реализуется СБУ для установки анкерной крепи SandvikDS 410-C, SandvikDS 411-C. СБУ оборудованы стрелой с буровым модулем для бурения шпуров и установки фрикционных анкеров и стрелой для захвата и установки сварной сетки. Величина продвижения забоя за цикл в объеме 4,2 м на предприятии определялась, исходя из технико-экономических показателей с учетом минимальной стоимости 1 м проходки горной выработки и производительности горного оборудования. При применении вышеперечисленных средств механизации полный цикл проходческих работ на месторождении занимает две смены продолжительностью 11 ч, что является самым оптимальным вариантом для предприятия. Кроме того, необходимо учитывать коррозионную способность подземных вод по отношению к материалам крепления – металлам (трубчатые фрикционные анкера, металлическая сетка и трос-анкера), торкрет- и полимербетонам.
Коррозионная способность подземных вод в горных выработках должна анализироваться по следующим позициям:
• окислительно-восстановительные и кислотно-щелочные условия по величине Eh, mV (окислительно-восстановительные потенциал) и pH, которые должны замеряться in situ с помощью селективных электродов;
• химический состав подземных вод по расширенному списку, включая показатели содержания легкоокисляемой органики (перманганатная окисляемость) и общее количество органических компонентов – химическое потребление кислорода (ХПК), определяющие величину Eh, mV;
• микробиологическая и биохимическая специфика подземных вод, которая оценивается по величине БПК5 (биологическое потребление кислорода в течение 5 дней), а также с помощью посевов на селективные среды и генно-молекулярного анализа.
Такие исследования были выполнены впервые для условий рудника Купол (таб.1).
Таблица 1
Химический состав подземных вод подмерзлотного водоносного горизонта
Определяемые показатели | Результаты исследования | Нормативные документы |
Натрий, мг/дм3 | 318 | ФР.1.31.2011.10615 |
Калий, мг/дм3 | 7,2 | ФР.1.31.2011.10615 |
Кальций, мг/дм3 | 336 | ФР.1.31.2011.10615 |
Магний, мг/дм3 | 137 | ФР.1.31.2011.10615 |
Аммоний – ион, мг/дм3 | 0,11 | ПНД Ф 14.1:2:4.262-10 |
Железо общее, мг/дм3 | 0,40 | ФР.1.31.2011.10615 |
Гидрокарбонат-ион, мг/дм3 | 169 | ГОСТ 31957-2012 |
Хлорид-ион, мг/дм3 | 85 | ПНД Ф 14.1:2:3.96-97 |
Сероводород, мг/дм3 | <0,002 | ПНД Ф 14.1:2:4.178-02 |
Сульфат-ион, мг/дм3 | 1770 | ПНД Ф 14.1:2.159-2000 |
Нитрат-ион, мг/дм3 | <0,1 | ПНД Ф 14.1:2:4.4-95 |
Кремниевая кислота (по Si), мг/дм3 | <0,05 | НДП 10.1:2:3.100-08 |
ХПК, мгО2/дм3 | 14 | ПНД Ф 14.1:2:3.100-97 |
Перманганатная окисляемость, мгО2/дм3 | 2,6 | ПНД Ф 14.1:2:4.154-99 |
БПК5, мгО2/дм | 2,3 | ПНД Ф 14.1:2:3.123-97 |
Водородный показатель (полевые замеры), ед.рН | 7,2 (7,0) | ПНД Ф 14.1:2:3.121-97 |
Сухой остаток, мг/дм3 | 2770 | ПНД Ф 14.1:2:3.261-10 |
Жесткость общая, °Ж | 28 | ГОСТ 31954-2012 |
Углекислота свободная, мг/дм3 | 11 | ФР.1.31.2005.01580 |
Нефтепродукты, мг/дм3 | 0,017 | ПНД Ф 14.1:2:4.128-98 |
Примечание. Химический анализ воды был выполнен в лаборатории ООО «Центр экоаналитических услуг «ОПЫТ» 03.06.2020 г.
Высокое содержание сульфатов в воде связано с окислением сульфидов (основных минералов, в парагенезисе с которыми содержится золото и серебро), наличием тионовых бактерий, вырабатывающих серную кислоту, и биохимического сероводорода. Кроме того, в подземных водах присутствуют щелочные (Na+) и щелочно-земельные элементы (Ca2+ и Mg2+), причем последние предопределяют ее высокую жесткость, достигающую 28 °Ж. Однако, величина pH свидетельствует о нейтральной среде, что вызвано подкислением вод за счет сульфатной составляющей и биохимических процессов генерации H2S.
Подмерзлотный водоносный горизонт относится к водным системам с активной микробной деятельностью на месторождениях Купол и Майское, что доказано микробиологическими исследованиями, которые выполнялись в 2019-2020 гг. в Санкт-Петербургском государственном университете под руководством и при непосредственном участии профессора Д.Ю.Власова. Следует подчеркнуть, что окислительно-восстановительные условия в подмерзлотном водоносном горизонте с затрудненным водообменом за счет наличия регионального водоупора – толщи многолетнемерзлых пород обычно характеризуются отрицательными значениями Eh. Подземные воды на Яковлевском месторождении имели величину Eh, равную (–78÷–85)mV, замеренную на горизонте –425 м. Бескислородные условия в водоносных горизонтах определяют наличие гетеротрофных анаэробных микроорганизмов – сульфатредуцирующих бактерий и железовосстанавливающих. Важно, что железобактерии относятся к психрофильным группам микроорганизмов, которые хорошо развиваются при 4 °C и более низких температурах [29]. Как известно, сульфатредуцирующие бактерии (мезофильные формы микроорганизмов) генерируют образованию сероводорода и рассматриваются как толерантные к низким температурам.
Изучение третьего компонента – подземной микробиоты на руднике было начато в связи с тем, что особенности развития коррозии металлических крепей на руднике Купол подобны характеру их разрушения на Яковлевском руднике КМА, где была установлена биокоррозионая природа разрушения крепей и бетонов закладки. Такие же исследования проводились и на месторождении Майское, расположенном в 300 км от рудника Купол. Были отобраны пробы подземных вод, материалов разрушенного металлического крепления, деревянной забутовки и глинки трения. Проба на рудниках Купол и Майское отбирались с обязательным соблюдением правил стерильности. Определение групп, видов, родов и численности микроорганизмов проводилось с помощью посевов на питательные жидкие и твердые среды, и микроскопических исследований.
В результате анализа были установлены микромицеты, бактерии и актиномицеты. Доминирующий род микромицетов в подземной воде – Aspergillus, а в пробах разрушенных материалов крепи – Penicillium, Aspergillus,Trichoderma, Cladosporium, которые играют существенную роль в процессе разрушения крепежных материалов. Среди выявленных микромицетов преобладают виды, которые были привнесены человеком в пространство рудника, а также поступают с потоком вентиляционного воздуха. Виды рода Penicillium, способные развиваться при пониженных температурах, могли находиться в мерзлоте и адаптироваться в условиях мерзлой толщи. Это род может быть отнесен к психрофилам.
Бактериологический анализ показал присутствие широкого спектра бактерий. Численность аэробных органотрофных бактерий варьирует в пределах 1∙103 – 1∙107 КОЕ в 1 мл воды или 1 г породы. Выделена группа психрофильных микроорганизмов представлена в основном железобактериями – желозовосстанавливающими и железоокисляющими, а также мезофильными группами, которые проявили толерантность к низким температурам. Среди бактерий преобладающими морфотипами были слизистые колонии различной окраски, которые чаще всего относятся к железоокисляющим формам. В пробах металлических конструкций отмечено также присутствие тионовых бактерий, которые генерируют серную кислоту и вызывают коррозию металла в аэробной среде. В качестве питательных веществ психрофилы используют адаптированные к холоду ферменты (белки), что дает им дополнительный субстрат для роста и развития, а при более низких температурах – для поддержания жизни.
Первые исследования микроорганизмов, которые были обнаружены в многолетнемерзлых породах и в ископаемых льдах, были начаты известными российскими микробиологами В.М.Омелянским в Якутии и Б.Л.Исаченко на Дальнем Востоке в 1911 и 1912 г. соответственно. Большой объем микробиологических исследований был выполнен на полярных станциях в Антарктиде американскими и российскими исследователями в 70-90-х годах 20 в. Выполненные экспериментальные работы (1985-1993) Д.Г.Звягинцевым, Д.А.Гиличинским, Г.М.Хлебниковой и др. показали, что в мерзлой толще пород с температурой –12 С может содержаться до 108 кл. микроорганизмов в 1 г. Выделенные микроорганизмы большей частью относились к психрофильным группам, 95 % этих клеток не росли при температуре выше 30, среди них были выделены сульфатредуцирующие и метаногенерирующие бактерии, анаэробные актиномицеты.
В 21 в. микробиологические исследования в разрезах мерзлоты значительно расширились. По результатам исследований институтов РАН, МГУ им. Ломоносова в Арктике, тундровой зоне Колымской низменности у побережья Восточно-Сибирского моря, в водонасыщенных горизонтах п-ова Варандей, в районе оз. Якутское Колымской низменности были установлены различные формы микроорганизмов (от единиц до сотен тысяч КОЕ в 1 г воздушно-сухого грунта или 1 мл минерализованной воды) [6, 25, 31-33]. В настоящее время в горных выработках следует изучать деятельность аборигенных форм микроорганизмов (в толще мерзлых пород, в криопэгах и подмерзлотных водах), а также привнесенных микроорганизмов. Деятельность микроорганизмов должна рассматриваться, прежде всего, с позиции развития биокоррозионых процессов в креплениях конструкционных материалах крепей.
Четвертый компонент – газы, был изначально обнаружен при отборе проб подмерзлотных вод по характерному запаху сероводорода, что было подтверждено лабораторными исследованиями. Низкое значение сероводорода (H2S) в пробе связано с высокой скоростью окисления этого газа, что сопровождается повышением содержания иона SO42–. Наличие сероводорода служит показателем наличия анаэробной среды в подмерзлотной воде. Продуктом дыхания микроорганизмов служит диоксид углерода (CO2), величина которогодостигала 300 мг/дм3 в условиях Яковлевского рудника. Эти газы агрессивны по отношению к конструкционным материалам – CO2 к бетонам, H2S – к металлам и бетонам.
Как отмечалось ранее, в местах разгрузки подмерзлотных вод наблюдается активная коррозия конструктивных элементов металлического крепления. Необходимо учитывать анаэробные условия в подземных водах, что предполагает протекание электрохимических процессов, развитие которых приводит к утончению металлических конструкций за счет восстановления железа Fe0 → Fe2+. Высокое содержание сульфат-иона предполагает возможность проявления сульфатной коррозии в бетонах, сопровождающейся образованием гидросульфоалюмината кальция (3CaO ∙ Al2O3 ∙ 3CaSO4 ∙ 3lH2O). Известно, что генерация этого цементоподобного минерала в виде кристаллогидратов способствует значительному увеличению объема материала за счет кристаллизационного давления более 10 МПа, что приводит к дезинтеграции бетона.
На руднике Купол основной вид крепления трещиноватых пород – трубчатые фрикционные анкеры в паре с металлической сеткой. При визуальном осмотре крепления было отмечено, что на всех участках крепь подвержена активной коррозии (рис.6). Этот факт заставил более детально проанализировать генезис коррозии и ее развитие: на предприятие крепь поставляется новой, а коррозия развивается буквально за считанные дни. Об активности биокоррозии свидетельствую выполненные наблюдения (рис.7). Часть материала новой анкерной крепи складировалась в непосредственной близости к проходческому забою. На фотографиях видны точечные проявления коррозии, вызванные капежом подмерзлотных вод в течение 4 ч. Образование слизистого налета на металле вызывается деятельностью железоокисляющей бактерии Gallionella ferruginea. Помимо коррозии металлического крепления, присутствует также биокоррозия торкрет-бетона [30].
Скорость развития биокоррозии обычно на порядок выше химической коррозии, что при отсутствии специализированного мониторинга может привести к формированию вывалов большого объема.
< На основе анализа подземного пространства как многокомпонентной среды выполнено прогнозирование и систематизация горно-геологических процессов на руднике Купол, наблюдения и контроль за которыми должны быть включены в систему комплексного мониторинга на действующем горнодобывающем предприятии в сложных инженерно-геологических условиях, что будет способствовать повышению безопасности ведения горных работ.
Систематизация горно-геологических процессов выполнена для двух зон: первая – в пределах гор. +525 м - +300-250 м, зона многолетнемерзлых пород; вторая – гор. +300 м - +250 м ниже подошвы мерзлоты. Систематизация ведется по семи параметрам (табл.2).
Результаты. Прогнозирование опасных горно-геологических процессов на руднике Купол проведено на основе анализа ПП как многокомпонентной системы: горные породы, подземные воды, микробиота, газы и конструкционные материалы крепей, которые находятся в тесной связи друг с другом. Изменение одного из компонентов влечет за собой нарушение в работе всей системы снижение уровня безопасной эксплуатации месторождения.
Особенности положения месторождения Купол в узле тектонических разломов предопределило его формирование в условиях активной тектонической деятельности и протекания гидротермальных процессов в верхнемеловое время, специфику строения рудного тела и высокую степень дезинтегрированности различных петрографических типов вмещающих горных пород. Сложные горно-геологические условия диктуют необходимость использования в качестве основного крепления трубчатые фрикционные анкера в паре с металлической сеткой, а на особо сложных участках дополнительно трос-анкера и (или) торкретбетон, либо полимербетон. Месторождение расположено в зоне развития многолетнемерзлых пород мощность на 250-300 м. В толще мерзлоты на отметке +440 м выявлены криопэги с аномально высокой минерализацией и чрезвычайно низким значением pH. Воздействие криопэгов на металлическую крепь привело к ее быстрому разрушению и формированию вывалов пород в кровле. Подмерзлотный водоносный горизонт характеризуется напорно-безнапорным режимом и может быть отнесен к водным системам с затрудненным водообменом, что предполагает наличие восстановительной (бескислородной) среды с величиной окислительно-восстановительного потенциала Eh < 0 (по аналогии с водоносными горизонтами Яковлевского рудника КМА). Подземные воды хлоридно-сульфатные натриево-кальциевые, солоноватые с минерализацией 3-5 г/дм3 имеют высокую жесткость за счет присутствия щелочно-земельных элементов, но нейтральную реакцию воды.
Экспериментально доказано, что подземные воды служат основным источником поступления микроорганизмов, среди которых были выделены микромицеты и железобактерии, при этом последние относятся к психрофилам. Среди железобактерий установлены аэробные формы железоокисляющие и анаэробные (железовосстанавливающие), что имеет принципиальное значение при рассмотрении коррозии металлических крепей. Зафиксировано наличие мезофильных форм микроорганизмов – сульфатредуцирующих (анаэробных) и тионовых (аэробных), которые рассматриваются как толерантные по отношению к низким температурам в подземной среде. Микробиологические исследования, выполненные в криопэгах и мерзлых грунтах в 20-21 вв. институтами РАН, МГУ и др., подтверждают наличие различных физиологических групп микроорганизмов не только психрофильных форм, но и мезофилов, которые устойчиво развиваются при низких температурам.
Деятельность сульфатредуцирующих бактерий сопровождается генерацией сероводорода, что устанавливается по отчетливому запаху при разгрузке подземерзлотных вод в горные выработки. Как известно, этот газ легко окисляется, однако его присутствие было зафиксировано при анализе химического состава подмерзлотных вод. Деятельность микроорганизмов сопровождается также образованием CO2, который рассматривается как продукт их дыхания. Наличие H2S опасно для бетонов и металлов, принимая во внимание, что этот легко растворимый газ приводит к снижению pH ниже 4.
Коррозионые процессы крепей необходимо рассматривать как опасные. Согласно выполненным исследованиям по своей природе они могут быть подразделены на химическую коррозию, к которой относится сульфатная и углекислотная, биокорозия и электрохимическая. Наиболее опасна биокоррозия, скорость протекания которой на порядок выше химической коррозии. Этот вид коррозии происходит за счет метаболитов микроорганизмов – кислот, газов, а также ферментов (энзимов) и непосредственной деятельности клеток микробиоты, образующих биопленки на поверхности крепей. Необходимо также анализировать высокую вероятность электрохимических процессов стали, приводящих к ионизации атомов металла (Fe0→Fe2+) в восстановительных условиях и утоньшению конструкций крепи.
Проведенный анализ и составленная систематизация опасных горно-геологических процессов на руднике Купол могут быть использованы как основа для создания и развития комплексного специализированного мониторинга в качестве инструмента контроля и наблюдения, при этом возникает возможность управления безопасностью ведения горных работ, сложность которых будет только расти по мере увеличения глубины разработки в подмерзлотной толще с высокой степенью обводнения выработок и коррозионной способностью подземных вод.
Литература