Функции и территории ведения мониторинга

С учетом вышеизложенного, мониторинг включает следующие функции:

- регулярные наблюдения за элементами геологической среды, горными выработками и другими сооружениями, а также за отдельными компонентами окружающей природной среды в границах зоны воздействия на экосистемы как собственно отработки запасов полезного ископаемого, так и другой хозяйственной деятельности горнодобывающего предприятия; регистрацию наблюдаемых показателей и обработку полученной информации;

- создание и ведение информационных фактографических и картографических баз данных, включающих в себя весь набор ретроспективной и текущей геологической и технологической информации (а при необходимости и постоянно действующую модель месторождения), позволяющей осуществлять:

- оценку пространственно-временных изменений состояния геологической среды и связанных с ней компонентов окружающей природной среды на основе полученных в процессе мониторинга данных;

- учет движения запасов полезных ископаемых и потерь при их добыче и переработке;

- учет извлеченных (перемещенных) горных пород;

- прогнозирование изменения состояния объектов горных работ и связанных с ними компонентов окружающей среды под влиянием добычи полезного ископаемого, дренажных мероприятий и других антропогенных факторов;

- предупреждения о вероятных негативных изменениях состояния геологической среды и необходимой корректировке технологии добычи запасов полезных ископаемых;

- разработку рекомендаций по ликвидации последствий аварийных ситуаций, связанных с изменениями состояния геологической среды.

Мониторинг проводится на площади как собственно месторождения полезного ископаемого и техногенных объектов горного производства, так и в зоне существенного влияния недропользования на состояние недр и другие компоненты окружающей природной среды, изменения которых связаны с изменением геологической среды под влиянием вскрытия и разработки месторождения полезного ископаемого и иной хозяйственной деятельности горнодобывающего предприятия.

Мониторинг должен охватывать как непосредственно площадь ведения горных работ, так и зону существенного влияния разработки месторождения и сопутствующих ей процессов на состояние недр и других компонентов окружающей природной среды. Поэтому на площади проведения мониторинга предлагается выделять 3 зоны:

Зона I – зона непосредственного ведения горных работ и размещения других технологических объектов, влияющих на изменение состояния недр в пределах границ горного отвода;

Зона II – зона существенного влияния разработки месторождения на различные компоненты геологической среды;

Зона III – периферийная зона, примыкающая к зоне существенного влияния разработки месторождения (зона фонового мониторинга).

Границы площади ведения горных работ (зона I) определяются природными геологическими и технико-экономическими факторами. Во всех случаях верхней границей месторождения принимается поверхность земли, а нижней – подошва балансовых запасов полезного ископаемого. Обычно границы зоны I – это границы зоны горного отвода. Размеры зоны существенного влияния разработки месторождения твердых полезных ископаемых (зона II) устанавливаются по распространению участков (площадей) активизации опасных геологических процессов под влиянием добычи полезного ископаемого и существенного нарушения гидродинамического режима и структуры потоков подземных вод в пределах депрессионной воронки. По имеющимся представлениям за зону существенного техногенного влияния инженерно-геологического характера следует принимать площадь на порядок больше площади, на которой осуществляется производственная деятельность при разработке месторождения. Наибольшие размеры территорий, подверженных влиянию разработки месторождения, связаны с развитием депрессионных воронок подземных вод при проведении водопонизительных и дренажных мероприятий. Они определяются гидрогеологическими условиями и особенностями системы отбора подземных вод, а также наличием или отсутствием системы обратной закачки дренажных вод. Депрессионная воронка расширяется во времени и может достичь весьма существенных размеров, особенно в напорных пластах, имеющих широкое площадное распространение. В то же время радиусы зоны существенного влияния, где понижение уровня составляет около 10-20% от понижения в центре депрессии, обычно не превышают 10-20 км в напорных пластах и первых километров в безнапорных. Этими цифрами следует руководствоваться при определении размеров зоны существенного влияния разработки. При разработке небольших месторождений с неглубоко залегающими полезными ископаемыми, в замкнутых гидрогеологических структурах, а также при отработке месторождений выше уровня подземных вод зона существенного воздействия может быть ограничена горным и земельным отводом.

Границы III зоны и ее площадь принимаются таким образом, чтобы в процессе мониторинга можно было проследить фоновые изменения состояния геологической среды, сравнить их с ее изменениями в зоне II и выделить те из них, которые связаны с разработкой месторождения и те, которые определяются другими факторами. Поэтому площадь зоны III должна охватывать участки с геолого-гидрогеологическими условиями и ландшафтами, развитыми в зоне II. В тех случаях, когда при разработке месторождения, сопровождаемой водоотливом, происходит гидродинамическое взаимовлияние рассматриваемого месторождения на другие месторождениями твердых полезных ископаемых и эксплуатируемые месторождения подземных вод, формируется общая зона влияния группы месторождений и водозаборов. В этих случаях границы зоны существенного влияния каждого месторождения принимаются в радиусе 10-15 км от участка горных работ и (или) водоотбора, а на остальной площади влияния всей группы месторождений осуществляется мониторинг уровня подземных вод.

Одной из важнейших задач мониторинга является оценка изменений состояния геологической среды под влиянием изменений гидрогеологических, инженерно-геологических и геокриологических условий, связанных со вскрытием и разработкой месторождения, а также с проведением сопутствующей им иной хозяйственной деятельности.

Изменения гидрогеологических условий при вскрытии и разработке месторождений происходят в следующих основных направлениях:

а) Изменения структуры потока подземных вод, условий их питания и разгрузки вследствие их отбора водопонизительными и дренажными системами и снижения уровня подземных вод под влиянием водоотбора.

Изменение условий питания и разгрузки подземных вод вызывает изменение соотношения приходных и расходных элементов баланса, что находит отражение в режиме подземных вод, в т.ч. положение их уровенных поверхностей. В процессе вскрытия и разработки месторождения происходит:

- снижение уровней (напоров) подземных вод, которое может отмечаться как в эксплуатируемых пластах, так и, при определенных системах отработки, и в смежных водоносных горизонтах;

- сокращение или полное прекращение разгрузки подземных вод в реки и путем испарения с уровня грунтовых вод;

- снижение расхода или полное исчезновение родников;

- снижение расходов действующих водозаборов;

- уменьшение эксплуатационных запасов подземных вод.

б) Изменение качества подземных вод.

Изменение качества подземных вод связано с подтягиванием к водопонизительным и дренажным системам высокоминерализованных или некондиционных вод из глубоких водоносных горизонтов, загрязнением подземных вод в процессе ведения горных работ, поступлением в водоносные горизонты загрязненных поверхностных вод и загрязняющих веществ из антропогенных источников загрязнения на поверхности. При взаимодействии подземных вод с породами в зоне горных выработок (формирование кислых вод с повышенным содержанием токсичных компонентов) происходит формирование особого химического состава шахтных (дренажных) вод.

Изменение инженерно-геологических и геотектонических условий, в т.ч. протекание опасных геологических процессов, происходит в следующих основных направлениях:

а) Развитие деформаций в массиве горных пород и на земной поверхности вследствие изменения напряженного состояния, трещиноватости и физико-механических свойств пород, а также в результате сдвижения пород над отработанным пространством и образования мульд оседания.

б) Деформация массивов горных пород и грунтов в прибортовых и прибровочных частях карьеров, склонах терриконов и откосах отвалов, активизация природных и возникновение техногенных экзогенных геологических процессов на прилегающих территориях в связи с нарушением статического положения горных пород.

в) Оседание земной поверхности в результате уплотнения пород при их вторичной консолидации в процессе водопонижения и осушения.

г) Возникновение или активизация карстово-суффозионных процессов в связи с увеличением градиента фильтрации потока, интенсификацией растворения карбонатных пород и выноса рыхлого заполнителя открытых полостей.

д) выпор (деформация) почвы или днища горных выработок в результате разгрузки напряжений при сработке массива вышележащих горных пород и в результате набухания при увлажнении.

е) Активизация эндогенных процессов (техногенные землетрясения, горные удары).

Вскрытие и разработка месторождений твердых полезных ископаемых, а также сопутствующая им другая хозяйственная деятельность, кроме изменений гидрогеологических, инженерно-геологических и геокриологических условий может приводить также к изменениям других компонентов природной окружающей среды, вызванных указанными изменениями геологической среды. Основные возможные изменения других компонентов окружающей природной среды сводятся к следующему:

а) Уменьшение или даже периодическое прекращение стока рек на отдельных участках за счет сокращения естественной разгрузки подземных вод в реки и привлечения речных вод в горные выработки.

б) Увеличение стока рек на других участках в связи со сбросом шахтных и карьерных вод.

в) Изменения природных ландшафтов, связанные с изменением уровня грунтовых вод в первом от поверхности водоносном горизонте, оседанием поверхности земли, изменением гидрографической сети. Указанные процессы могут привести к угнетению или гибели растительности, переосушению сельскохозяйственных земель, осушению болот или, наоборот, к заболачиванию территории.

г) Загрязнение атмосферного воздуха, почв и грунтов химическими и минеральными веществами при пылевых и газовых выбросах, а также влияние этого загрязнения на животный и растительный мир.

д) Загрязнение поверхностных вод в результате сброса шахтных или карьерных вод, сточных вод сопутствующих производств, фильтрации через плотины хвосто- и шламохранилищ, разгрузки в реки загрязненных подземных вод и т.д.

В связи с различным характером проявления процессов изменения состояния геологической среды на разрабатываемых месторождениях твердых полезных ископаемых, и связанных с ними процессов изменения других компонентов окружающей природной среды, структура и содержание мониторинга на каждом конкретном объекте в значительной степени будет определяться сложностью геолого-гидрогеологических, инженерно-геологических, геокриологических условий месторождения и условий его освоения (системой отработки месторождений и системой защиты горных выработок от подземных вод).

6.1.4. Структура и содержание мониторинга

Основными факторами, определяющими структуру и содержание мониторинга месторождений, являются:

- характер залегания горных пород, степень изменчивости их состава и свойств, особенности тектонического строения, наличие трещиноватости и закарстованности;

- наличие в пределах площади разработки месторождений полезных ископаемых потенциально неустойчивых, легко деформируемых массивов горных пород, предрасположенных к развитию экзогенных геологических процессов;

- характер залегания и условия распространения водоносных горизонтов, изменчивость мощностей и фильтрационных свойств водовмещающих пород, величина водопритока в горные выработки;

- глубина и характер залегания полезного ископаемого;

- сложность гидрохимической обстановки, наличие высокоминерализованных и газированных подземных вод, участвующих в обводнении месторождения;

- наличие или отсутствие постоянно действующего источника поступления воды в горные выработки (река, обводненный высокопроницаемый водоносный перекрывающий разрабатываемое полезное ископаемое горизонт);

- наличие и характер залегания многолетнемерзлых пород;

- характер изменчивости физико-механических и водно-физических свойств горных пород, определяющих устойчивость бортов карьеров и подземных горных выработок, активизацию или возникновение экзогенных геологических процессов;

- технологическая схема вскрытия, система и технология отработки месторождения, скорость ведения горных работ и их развития по площади и глубине;

- характер и интенсивность влияния отработки месторождения на ландшафтные условия, поверхностные воды и другие компоненты окружающей природной среды;

- необходимость (или ее отсутствие) применения специальных методов проходки горных выработок и специальных схем борьбы с подземными водами (фильтрационные завесы, системы закачки добычных вод и др.);

- наличие водозаборов подземных вод в пределах площади влияния осушения месторождения твердых полезных ископаемых;

- наличие сооружений по хранению, переработке и транспортировке полезных ископаемых и отходов горнодобывающего производства;

- необходимость проведения специальных мероприятий по инженерной защите от опасных геологических процессов.

Система мониторинга в общем случае включает в себя две взаимосвязанные подсистемы:

а) подсистему проведения и документации наблюдений и сбора информации;

б) подсистему обработки информации и прогнозирования.

Основным источником информации о состоянии геологической среды и других компонентов природной среды являются наблюдательные сети, состоящие из пунктов наблюдений, в качестве которых могут использоваться капитальные и эксплуатационные горные выработки, водозаборные скважины, специальные сооружения для наблюдения за подземными водами, горными породами, геологическими процессами, поверхностными водами, ландшафтами и т.д. (наблюдательные скважины, родники, репера, гидрометрические створы, специальные наблюдательные площадки и др.). При значительной площади зоны существенного влияния при разработке месторождений твердых полезных ископаемых или при мониторинге группы месторождений в качестве дополнительного источника информации о состоянии геологической среды и других компонентов природной среды могут привлекаться материалы, полученные с использованием средств дистанционного зондирования.

6.1.5. Наблюдательные пункты и сети мониторинга

Количество и схема расположения наблюдательных пунктов, частота и методика наблюдений определяются многими геолого-технологическими и природными факторами и должны устанавливаться индивидуально в каждом конкретном случае. В то же время, могут быть сформулированы некоторые общие принципы, к основным из которых относятся:

а) Формирование наблюдательных сетей должно начинаться в процессе геологоразведочных работ. На разрабатываемых месторождениях сети должны расширяться и трансформироваться в соответствии с развитием горных работ и увеличением водоотбора. Дальнейшее преобразование сетей должно быть связано с обеспечением наблюдений при переходе с открытых на подземные горные работы, а также после консервации или ликвидации горных работ.

б) Наблюдательная сеть должна формироваться с учетом особенностей горно-геологических, гидрогеологических и инженерно-геологических, геокриологических условий мониторинга, принятой системы его вскрытия и разработки, системы размещения сооружений по хранению переработке и транспортировке полезных ископаемых и отходов горнодобывающего производства и обеспечивать получение информации для прогнозирования и принятия управленческих решений. В необходимых случаях получаемая информация должна обеспечить разработку геофильтрационных, геомиграционных и геомеханических моделей. При этом, в частности, целесообразно учитывать следующие рекомендации:

- при многослойном строении водовмещающей среды следует создавать ярусные узлы наблюдательных пунктов, оборудованные на различные водоносные горизонты или на различные интервалы залегания мощного водоносного горизонта, а в отдельных случаях – и на слабопроницаемые разделяющие отложения;

- при наличии на площади месторождения и в зоне существенного влияния его разработки водозаборов подземных вод, систем обратной закачки, наблюдательные скважины должны размещаться на всей площади гидродинамического возмущения, при этом часть наблюдательных пунктов должна находиться между системами отбора и закачки воды;

- при приуроченности месторождений к ограниченным (замкнутым) в гидродинамическом отношении пластам наблюдательные скважины следует располагать по обе стороны от границы пласта;

- пункты наблюдений в горных выработках (инженерно-геологические площадки, репера, скважины, датчики) должны располагаться в местах выявленной и потенциально возможной деформации выработок; проявления горных ударов, вызванных выбросов пород и повышенных напряжений; развития трещиноватости, протаивания многолетнемерзлых пород;

- при наличии на изучаемой территории шламо- и хвостохранилищ, прудов отстойников, накопителей сточных вод, и других сооружений, функционирование которых может приводить к изменению баланса и качества подземных вод, наблюдательные пункты, главным образом на первый от поверхности водоносный горизонт, должны оборудоваться в зоне активного воздействия этих объектов на окружающую среду.

в) Пункты наблюдений за гидрогеологическими, инженерно-геологическими и геокриологическими показателями и наблюдения на этих пунктах должны быть взаимоувязаны. Кроме того, при размещении наблюдательных скважин для изучения водоносных горизонтов нужно учитывать возможность и целесообразность сопряжения этих пунктов с наблюдательными пунктами, оборудованными на поверхностные водные объекты, растительность и т.д.

г) Все наблюдательные пункты должны быть защищены от несанкционированного доступа и иметь инструментальную привязку в плановом и высотном отношении. Марки, от которых проводятся замеры уровней воды, должны иметь инструментальную высотную привязку, отметка которой должна периодически проверяться.

Все проводимые в системе мониторинга месторождений твердых полезных ископаемых наблюдения за качественными и количественными показателями состояния геологической и других компонентов окружающей природной среды можно разделить на две группы: стандартные (обязательные), осуществляемые на всех или большинстве месторождений, и специальные (дополнительные) - проводимые на отдельных месторождениях и требующие специального, в ряде случаев, нестандартного, оборудования и организации специальных наблюдений.

К стандартным наблюдаемым показателям относятся:

- данные по приросту запасов полезных ископаемых;

- количество и качество извлекаемых из недр полезных ископаемых;

- объем извлекаемых из недр горных пород;

- ход развития горных работ и состояния горных выработок;

- величина отбора шахтных и дренажных вод из внешних и внутренних водоприемных систем;

- величина сброса откачиваемых и сточных вод в различные элементы системы водоотведения, в т.ч. объем (расход) закачиваемых вод в системах обратной закачки;

- утечки из прудов-отстойников, накопителей сточных вод и других аналогичных сооружений;

- уровни подземных вод всех водоносных горизонтов, участвующих в обводнении горных выработок и испытывающих воздействие хозяйственной деятельности;

- физические свойства, химический состав и температура подземных и шахтных вод;

- физические свойства, химический состав и температура всех видов сточных вод, сбрасываемых в поверхностные водные объекты, а также качество поверхностных вод выше и ниже точек сброса.

К наблюдаемым специальным показателям могут относиться:

- расходы родников;

- уровни подземных вод в горизонтах смежных с участвующими в обводнении горных выработок и в первом от поверхности горизонте грунтовых вод (в случаях, когда он не участвует непосредственно в обводнении горных выработок);

- расходы и уровни поверхностных вод; пересыхание и перемерзание, наледный сток;

- состояние горных выработок и их крепление;

- состояние устьев, фильтров и обсадных труб водозаборных и наблюдательных скважин, состояние насосного оборудования;

- физико-механические свойства и трещиноватость пород;

- количество и величина карстовых воронок, изменение их размеров;

- планово-вертикальные деформации дневной поверхности для оценки оседания подрабатываемых территорий;

- данные геодезических и маркшейдерских наблюдений за деформациями склонов и бортов карьеров для оценки развития оползне-обвальных процессов;

- изменение состояния болот, видового состава и габитуса растительности;

- загрязнение атмосферного воздуха;

- техногенные землетрясения и горные удары;

- температура многолетнемерзлых пород, а также их физико-механические и теплофизические свойства.

В конкретных условиях перечень наблюдаемых специальных показателей может уточняться.

В тех случаях, когда на месторождении организован автоматизированный сбор всей или части получаемой при мониторинге информации и ведется компьютерная база данных, может быть предусмотрен непосредственный ввод данных из памяти измерительных приборов в компьютер.

Обязательным элементом подсистемы обработки информации и прогнозирования является база данных, содержащая данные как по постоянным (условно-постоянным), так и по переменным (наблюдаемым) показателям. База данных может вестись как в автоматизированном, так и в ручном режиме, в зависимости от количества наблюдаемых пунктов и количества получаемой информации. Она используется для информационного обслуживания недропользователей и органов управления государственным фондом недр. Для месторождений, находящихся в сложных горно-геологических, гидрогеологических и инженерно-геологических условиях может быть создана специальная автоматизированная информационно-прогностическая система (АИПС), включающая в себя автоматизированный банк (базу) данных и постоянно действующую математическую модель месторождения.

Обработка данных мониторинга заключается в подготовке материалов для анализа наблюдений за изучаемыми показателями состояния недр и других компонентов окружающей природной среды. Она заключается в построении необходимых карт и разрезов, графиков и таблиц, статистической обработке данных наблюдений, включая использование статистических методов анализа временных рядов, а также корреляционный анализ.

Прогнозирование состояния недр и других компонентов окружающей природной среды может выполняться различными методами – гидродинамическими, включающими математическое моделирование на ЭВМ; гидравлическими, вероятностно-статистическими, формально-логическими, методами аналогии, методами экспертных оценок. Выбор метода определяется сложностью горнотехнических, гидрогеоэкологических условий, задачами прогнозирования, изученностью месторождения и физических механизмов протекающих процессов, удельным весом режимообразующих факторов.

Осуществляемое в системе мониторинга месторождения прогнозирование можно подразделить на три вида: текущее, оперативное и долгосрочное. Текущее прогнозирование проводится на весьма короткий последующий период эксплуатации (до нескольких месяцев) в связи с развитием хода горных работ и изменениями их технологии, а также изменениями водохозяйственной и климатической обстановки.

Оперативное прогнозирование проводится систематически по результатам ежегодной эксплуатации на кратковременный (1-3 года) период.

Долгосрочное прогнозирование осуществляется при выявленных неблагоприятных тенденциях изменения состояния геологической среды и других компонентов окружающей среды, а также в связи с долгосрочными планами развития горных работ.

В зависимости от сложности горно-геологических, гидрогеологических и инженерно-геологических условий, принятой системы вскрытия и разработки месторождения, состава наблюдаемых показателей содержание и структура мониторинга могут существенно изменяться. В этом плане может быть выделено несколько классов мониторинга.