«РАЗВИТИЕ КОМПЛЕКСНОГО ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКОГО И МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА НА ЯКОВЛЕВСКОМ РУДНИКЕ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ВЕДЕНИЯ ОЧИСТНЫХ РАБОТ ПОД НЕОСУШЕННЫМИ ВОДОНОСНЫМИ ГОР ...»

Второй цикл специализированных микробиологических исследований включал опробование разрушенных материалов и вторичных образований на горизонте минус 425 м весной-летом 2014 года. Выполнены комплексные работы для оценки значимости биокоррозионных процессов и характера их проявления в подземных выработках с помощью химических и прямых микробиологических методов. Проведенные исследования подтвердили высокий уровень опасности микробной деятельности и ее важную роль в процессах разрушения металлов и бетонов, однако динамика развития таких процессов оставалась слабо изученной.

В рамках третьего цикла работ, начатого в июле 2014 г. и продолжающегося в 2015 г., выполняется изучение динамики коррозии металлических конструкций во времени с помощью специально разработанных методик, описанных в 5-й главе.

Основные задачи

проведенного в 2013 г. комплексного инженерногеологического мониторинга могут быть сформулированы следующим образом:

выявление главных факторов, определяющих нестабильность 1) гидрогеологической обстановки на Яковлевском руднике при расширении фронта очистных работ и выполнении закладочных работ;

оценка вероятности формирования локальных прорывов подземных 2) вод на горизонте -370 м и ее количественное определение с учетом изменения мощности водозащитного целика и варьирования показателей сопротивления сдвигу руд в целике;

наблюдения за развитием различных инженерно-геологических 3) процессов в горных выработках, включающих гравитационные, геофильтрационные процессы, деформации водозащитного целика, а также коррозию конструкционных материалов при активизации микробной деятельности;

изучение деструктивных процессов по результатам 4) специализированных микробиологических исследований и данным химического анализа водных вытяжек, приготовленных из проб разрушенных конструкционных материалов;

установление основных направлений дальнейших исследований на 5) основе полученной информации по динамике разрушения металлических крепей за счет комплексного воздействия электрохимических и биокоррозионных процессов во времени.

3.2 Особенности проведения в горных выработках комплексного мониторинга по оценке перетекания подземных вод и их влияния на активизацию микробной деятельности 3.2.1 Сравнительная оценка изменения интенсивности перетекания на горизонтах -370 и -425 м и его роль в активизации микробных процессов Ранее уже не раз была подчеркнута важная роль подземных вод в расселении микроорганизмов на Яковлевском руднике и активизации их жизнедеятельности. Известно, что развитие микроорганизмов непосредственно в водной среде происходит сравнительно редко, основная их часть предпочитает адгезированное состояние. Главная функция подземных вод заключается в переносе питательных веществ к поверхности твердого субстрата и их концентрировании на ней, а также в обеспечении микроорганизмов водой.

Получение воды микробами связывают не только с капельными и струйными водопроявлениями, но и с влажной рудничной атмосферой. Напомним, что на месторождении относительная влажность воздуха составляет 98-100%, что достаточно не только для насыщения БЖР до максимальной гигроскопичности, при которой вода образует на поверхности твердых частиц, а также гидрофильных участков клеток микроорганизмов тонкую пленку, но и формирования пленочной и даже капиллярной воды. В то же время многие микроорганизмы развиваются и при содержании воды гораздо меньшем, чем максимальная гигроскопическая влажность [42,44].

Установлено, что подземные воды, принимающие участие в обводнении Яковлевского рудника, обладают минерализацией 0,5-10 г/дм3, наиболее благоприятной для развития микроорганизмов. Воды содержат калий, соединения азота, фосфаты, а также ряд микроэлементов: железо, бор, бром, играющие важную роль в жизнедеятельности микробиоты. Довольно большое количество органики, поступающей из руднокристаллического горизонта и по тектоническим трещинам гранитного массива, легко утилизируется богатым биоценозом.

Метаболизм бактериальных сообществ, поступающих при нисходящем перетекании из толщи известняков с прослоями битуминозных глин и углей, как раз направлен на использование в качестве основных источников углерода органических соединений [23].

Таким образом, контроль перетекания подземных вод в рамках гидрохимического мониторинга, проводимого на руднике, играет важную роль в контроле активности микробной деятельности в подземных выработках. При непосредственном участии автора с 2012 по 2014 гг. на Яковлевском руднике проведено 7 циклов гидрохимических наблюдений.

Химический состав двух главных водоносных горизонтов, принимающих участие в обводнении горных выработок, имеет ярко выраженные отличия (см.

раздел 1.4).

Главный и наиболее простой диагностический признак перетекания вод нижнекаменноугольного горизонта в руднокристаллический - снижение минерализации и содержания хлоридов при одновременном росте гидрокарбонатиона, сероводорода и фтора. Как отмечалось в разделе 2.2, нижнекаменноугольный водоносный горизонт рассматривается как биореактор CO2 и H2S. Поэтому среди компонентов-индикаторов перетекания необходимо обращать внимание на сероводород, углекислый газ, а также бор, бром [144,149].

С 2007 по 2011 гг. для определения химического состава подземных вод использовались полевые методы с применением селективных электродов и прибора «Анион 7010» (Cl-, Ca2+, фтор, сероводород, рН), а также лабораторные методы для проверки точности полевых определений микро- и макрокомпонентов и оценки общей минерализации вод по сухому остатку. Начиная с 2012 года, определение основных микро- и макрокомпонентов в исследуемых пробах воды полностью осуществляется в лабораторных условиях на базе «Центра экоаналитических услуг «Опыт» по 8-26 компонентам.

В 2012-2014 гг. на горизонтах -425 и -370 м велись систематические наблюдения за химическим составом вод 11 наиболее значимых дренажных скважин и 8 крупных водопроявлений. Кроме того, анализировался химический состав рудничных вод. Расположение точек опробования в 2012-14 гг. на горизонтах минус 370 м и минус 425 м приведено на рисунках 3.1 и 3.2.

Рисунок 3.1 - Расположение точек опробования дренажных скважин и водопроявлений на горизонте -370 м в 2012-2014 гг.

Рисунок 3.2 - Расположение точек опробования дренажных скважин и водопроявлений на горизонте -425 м в 2012-2014 гг.

Результаты определения компонентного состава подземных вод, дренируемых на горизонтах -425 и -370 м, по данным 2012-2014 гг. приведены в таблице 3.1.

Результаты химического анализа проб воды, отобранных в июле, октябре и декабре 2014 года приведены в таблице 3.2. Отмечается, что содержание основных макро- и микрокомпонентов, а также величина минерализации в пробах подземных вод относительно стабильны, что свидетельствует о квазипостоянстве гидродинамической обстановки на обследованных горизонтах.

По данным мониторинга 2014 года отмечается контаминация подземных вод сразу в нескольких пробах (водопроявление по тектонической трещине в ПОСО, скв.

806, 838 и 1107), отобранных в октябре, зафиксировано появление нефтепродуктов, которые ранее либо не обнаруживались вообще, либо характеризовались меньшей концентрацией. Однако их содержание по прежнему меньше, чем ПДК на питьевые воды, которое составляет 0,1 мг/дм3 (СанПиН 2.1.4.1074-01). Одновременно с этим в пяти пробах из семи проанализированных (вода из тектонических трещин в кровле ПОСО, скв. 806, 1101 и 1107) отмечен рост содержания ионов аммония на 25-50% вплоть до 0,4 мг/дм3 (скв. 806) при ПДК аммиака по азоту 2 мг/дм3. В некоторых пробах (вода из тектонической трещины в ПОСО, скв. 806, 838 и 1107) зафиксировано увеличение содержания нитратов и нитритов. Максимальные обнаруженные концентрации составляют 0,086 мг/дм3 по нитритам и 0,91 мг/дм3 по нитратам при ПДК на питьевую воду 3 мг/дм3 и 45 мг/дм3 соответственно. Присутствие азотных соединений – свидетельство незначительной контаминации канализационными стоками.

Таблица 3.1 - Содержание основных микро- и макрокомпонентов в пробах подземных вод на горизонтах минус 425 и минус 370 м по данным мониторинга июля 2014 г.

(условные обозначения см. после таблицы 3.2) Точка отбора

–  –  –

- воды нижнекаменноугольного горизонта с минерализацией 600 мг/дм3; - воды смешения нижнекаменноугольного и руднокристаллического горизонтов с минерализацией 600 – 1600 мг/дм ; - воды руднокристаллического горизонта с минерализацией

–  –  –

Анализ данных опробования показывает, что химический состав вод, дренируемых скв. 806 в разведочном штреке №5, полностью отвечает составу вод нижнекаменноугольного водоносного горизонта с минимальной концентрацией хлоридов и выраженным гидрокарбонатным натриевым составом. Содержание фтора невелико, составляет лишь 1,2 мг/дм3, что в целом ниже, чем в других опробованных точках, дренирующих нижнекаменноугольных горизонт, и значительно ниже, чем в водах руднокристаллического горизонта и гранитного массива.

Среди опробованных водопроявлений еще шесть могут быть отнесены по химическому составу к горизонту нижнекаменноугольных известняков. Два из них представлены кровельными капежами на горизонте минус 370 м, расположенными в районе ПОСО - недалеко от заезда к рудоспуску №5 и к камере мойки (Рисунки 3.3, 3.4). Вода в обеих точках обладает сходным химическим составом и может быть охарактеризована, как мягкая, маломинерализованная, гидрокарбонатная натриевая, с повышенным содержанием фтора (до 5,7 мг/дм3).

–  –  –

Еще одна точка представлена водопроявлением в забое панельного орта №8 на том же горизонте (Рисунок 3.5). По химическому составу вода из нее практически идентична воде из скв. 806, также расположенной на 17-й линии ортов горизонтом ниже, что позволяет сделать вывод о приуроченности двух упомянутых водопроявлений к одной и той же водопроводящей зоне. Другие три источника представлены дренажными скважинами, расположенными на горизонте минус 425 м:

16к (порожняковый квершлаг), 1101 (транспортный орт, б/к №1, Рисунок 3.6) и скв.

838 (ШЛБ-2, ПК 230, Рисунок 3.7). Состав вод, отобранных в скв. 838, практически идентичен составу вод в скв. 806. В то же время в скв. 16к вода обладает чуть более высокой минерализацией, повышенным содержанием натрия (до 200 мг/дм3) и фтора (до 5,7 мг/дм3) при более низкой жесткости (0,18 мг-экв/дм3 против 2,1 мг-экв/дм3 в скв. 806).

–  –  –

Интересно отметить, что если состав воды из скв. 1101 полностью соответствует нижнекаменноугольному горизонту, то вода в скв. 1107, пройденной неподалеку из б/к №3 транспортного орта под таким же углом (6°), но на 24 метра глубже (скв. 1101 – 96 м, скв. 1107 – 120 м) характеризуется уже минерализацией свыше 1500 мг/дм3, гидрокарбонатно-хлоридным натриевым составом и повышенным содержанием фтора (14 мг/дм3), что свидетельствует о смешении вод нижнекаменноугольного горизонта с водами руднокристаллического.

–  –  –

Рисунок 3.13 – Выход подземных Рисунок 3.

14 – Выход подземных вод по вод по тектонической трещине в тектонической трещине в грузовом квершлаге вагонном депо (горизонт -425 м) (горизонт -425 м) Отмечено наличие в исследуемых пробах повышенного содержания органики, характеризуемого химическим потреблением кислорода (ХПК), величина которого меняется во времени и может достигать 205 мгО2/дм3. При этом содержание трудноокисляемой органики, определяемой по разности между величиной ХПК и пергманганатной окисляемостью, в 12-38 раз больше, чем легкоокисляемой. Трудноокисляемая органика обычно имеет биогенное происхождение за счет жизнедеятельности микроорганизмов, клетки которых и продукты их метаболизма на 60–65% состоят из микробного белка, а фермент - на 100 % из белковых веществ.

Среди отобранных проб стоит также отметить воду из скв. 472 (сопряжение заходки 1-0-14 и вентиляционного орта на горизонте -370 м) (Рисунок 3.15). Вода может быть охарактеризована как слабоминерализованная (М350 мг/дм3), гидрокарбонатно-натриевая и отнесена к келловейскому водоносному горизонту.

Содержание основных анионов и катионов в ней значительно ниже, чем в водах нижнекаменноугольного горизонта. Среди исследованных образцов воды данная проба обладает самым низким уровнем фтора (0,76 мг/дм3). Обнаружено незначительное содержание нитратов (0,76 мг/дм3) и нитритов (1,1 мг/дм3).

–  –  –

углеводороды, содержащиеся в пробе воды, в качестве источника энергии, и, как результат, быстро их утилизирующих. Еще в 2011 г. доцентом кафедры микробиологии СПбГУ Дмитриевой Е.Ю. были проведены микробиологические исследования образцов рудничных вод Яковлевского рудника, направленные на выявление в них бактерий-газообразователей. Определение присутствия денитрификаторов проводилось по появлению пузырьков газа и нарушению сплошности питательной среды. Признаками роста сульфатредуцирующих бактерий было образование сероводорода (оценивался органолептически) и черного налета или осадка гидротроилита в пробирках. Результаты исследований осадка рудничных вод свидетельствуют об их высокой зараженности разными группами микроорганизмов, что отражается общим микробным числом свыше 107 КОЕ/мл. В водах присутствуют мощные газообразователи: денитрификаторы, сульфит- и сульфатредукторы, а также ацидофильные тиобациллы, вырабатывающие серную кислоту и активно участвующие в разрушении металлических конструкций [23].

В то же время обращают на себя внимание результаты анализа химического состава сбрасываемых рудничных вод за декабрь 2014 г. При постоянстве содержания основных компонентов в сравнении с апрельскими данными наблюдается заметный рост нефтепродуктов - до 4,5 мг/дм3. Очевидно, поступление горюче-смазочных материалов в рудничные воды носит локальный характер.

Схема перетекания для выработок горизонта -425 м, построенная по данным 2014 г., представлена на рисунке 3.17. В сравнении с 2012-2013 гг. области перетекания не претерпели существенных изменений, что говорит о довольно стабильной гидродинамической ситуации на обследованном горизонте. Стоит лишь отметить расширение зоны слабоминерализованных вод нижнекаменноугольного горизонта, смешивающихся с водами руднокристаллического горизонта, что связано с вводом в эксплуатацию новых дренажных скважин в транспортном орте.

Рисунок 3.17 - Схематическая карта развития зон перетекания из нижнекаменноугольного водоносного горизонта в рудную толщу по данным мониторинга 2014 г.

(горизонт -425 м):

1 – воды нижнекаменноугольного водоносного горизонта (минерализация по сухому остатку меньше либо равна 600 мг/л); 2 - воды смешения нижнекаменноугольного и руднокристаллического водоносных горизонтов (минерализация по сухому остатку 600 - 1600 мг/л); 3 – неизменный состав руднокристаллического водоносного горизонта (минерализация 2600-4000 мг/л);

4 – разгрузка минерализованных вод гранитного массива (минерализация 8000мг/л); 5 - воды смешения келловейского и нижнекаменноугольного водоносных горизонтов 3.2.2 Прогнозирование изменения гидродинамических условий в зависимости от технологии ведения закладочных работ Как уже говорилось, для обеспечения нормальных условий добычи богатых железных руд на Яковлевском руднике производится полное осушение рудного тела - уровень руднокристаллического водоносного горизонта понижен до подошвы горных выработок на горизонте -425 м. Наблюдения за его пьезометрической поверхностью осуществляются с помощью четырех режимных скважин (Рисунок 3.18), одна из которых (скв. 603) пробурена вблизи лежачего бока рудной залежи, две (скв. 610 и 619) - находятся за пределами рудного тела в 0,4 км и 1,2 км соответственно и четвертая (скв. 642) - располагается в пределах рудной залежи. Начиная с 2013 года, наблюдения по скв. 642 прекращены.

Следует отметить, что поскольку только скважина 642 была пройдена в пределах рудного тела, дренаж последнего в наибольшей степени сказывался на снижении пьезометрической поверхности именно в ней. Отчетливое влияние дренажа рудного тела прослеживается также в скв. 610, поскольку она попадает в зону предполагаемого тектонического разлома, либо узла разломов, в пределах которого (которых) размещается скв. 28кр и 640кр, оборудованные на нижнекаменноугольный горизонт [142,143,144].

В результате развития фронта горных работ на горизонтах -425 м и -370 м и проходки новых дренажных скважин происходит постепенное развитие депрессионной воронки по площади. По графикам изменения абсолютных отметок уровней подземных вод руднокристаллического водоносного горизонта за декабрь 2005 – ноябрь 2014 гг. можно проследить общую тенденцию снижения пьезометрической поверхности руднокристаллического горизонта с постепенным выходом на квазипостоянные абсолютные отметки в 2014 году (Рисунок 3.19) В пределах рудной полосы за 8 лет функционирования наблюдательной скв. 642 (с января 2005 г. по декабрь 2012 г) зафиксировано снижение уровня руднокристаллического водоносного горизонта на 19,02 м. В лежачем боку рудной залежи, согласно данным скв. 603, опускание уровня подземных вод за 10 лет достигло 38,49 м. В висячем боку рудной залежи за тот же период времени величина понижения пьезометрического уровня в рудном теле в скважинах 619 и 610 составила 31,6 м и 29,2 м соответственно..

Рисунок 3.18 - Схематическая карта расположения основных и дополнительных наблюдательных скважин и положение пьезоизогипс руднокристаллического и нижнекаменноугольного горизонтов [144]

–  –  –

В то же время залегающий над рудным телом нижнекаменноугольный высоконапорный водоносный горизонт характеризуется нестабильным гидродинамическим режимом. После отключения системы опытного водопонижения, выполненного для оценки интенсивности гидравлической связи данного горизонта с келловейским водоносным горизонтом, а также для установления деформаций дневной поверхности, с 1992 г. до 2005 года происходило постепенное восстановление его напоров [142].

Наблюдения за пьезометрической поверхностью нижнекаменноугольного горизонта с января 2005 г. по август 2011 г. производилось по 5 скважинам (32кр, 7кр, 28кр, 640, 638), с сентября 2011 г. к ним добавились еще 8 скважин (26кр, 12р, 52вп, 55вп, 61вп, 1008, 1011, 27кр), а с апреля 2014 стали эксплуатироваться также скв. 15вп и 16вп. План расположения скважин относительно рудного тела и горных выработок, а также положение пьезозогипс руднокристаллического и нижнекаменноугольного горизонтов по данным мониторинга на 2014 год показан на рисунке Динамика изменения абсолютных отметок уровней 3.18.

нижнекаменноугольного водоносного горизонта в наблюдательных скважинах, расположенных на поверхности, приведена на рисунке 3.20.

Начиная с июня 2007 по октябрь 2011 года, в пределах рудного тела (скв. 28кр) максимально зафиксированное снижение пьезометрической поверхности нижнекаменноугольного водоносного горизонта составило 26 м, в районе штрека висячего бока (скв. 640 и скв. 638) – 26,5 м и 30 м соответственно.

Такое снижение напоров связано с началом функционирования высокодебитной дренажной скв. 806 в разведочном штреке №5 и, в меньшей степени, с процессами перетекания маломинерализованных вод из вышеуказанного горизонта. Первоначальное резкое падение напоров в нижнекаменноугольном горизонте в 2007 г. на 15 м произошло всего за полгода. С начала 2008 г. до конца 2011 г. наблюдалось постепенное, растянутое во времени снижение пьезометрической поверхности горизонта со скоростью в среднем 1,5-2,0 м/год [144].

Рисунок 3.20 - Динамика изменения пьезометрического уровня нижнекаменноугольного водоносного горизонта за январь 2005 – ноябрь 2014 гг.

Интересно отметить реакцию скважин 28кр, 640 и 638 на скорость дренирования нижнекаменноугольного горизонта при введении в эксплуатацию скв. 806. По всей вероятности, скв. 640 и 638, пройденные вне шахтного поля, связаны со скв. 28кр региональной разломной зоной, положение которой не установлено проведенными геофизическими работами из-за некорректной методологии по обоснованию и выбору масштаба полевых исследований, которые были ограничены только двумя профилями – продольным и поперечным.

Следует особо выделить скважины, расположенные в пределах рудной полосы, 27кр (лежачий бок залежи) и 12р (удалена от скв. 27кр на 1,1 км).

Несмотря на то, что скважина 12р пройдена вне зоны ведения горных работ, снижение уровня в этой скважине, аналогично динамике поведения уровней в скважинах, которые работают в поле рудного тела, где ведутся горные работы (26кр, 28кр, 1011, 1008, 61вп, 55вп, 52вп). Вместе с тем, в скв. 27кр фиксируется максимальное снижение напора нижнекаменноугольного горизонта из всех наблюдательных скважин. Из этого следует, что скважины 12р и 27кр, вероятно, также приурочены к дезинтегрированной зоне, связанной с региональным разломом, прослеженным западнее (см. рисунок 3.18).

Начиная с конца 2011 года и по июнь 2013 г., наблюдается восстановление уровня нижнекаменноугольного горизонта, которое фиксируется по скважинам:

28кр, 640, 638, 27кр, 26кр, 12р, 52вп, 55вп, 61вп, 1011и 1008 (см. рисунок 3.20).

Закладка выработанного пространства на горизонте минус 370 м легкими бетонами формирует водонепроницаемый слой, который выступает в роли искусственного водоупора, и его влияние сказывается на снижении расходов скв. 806 (Рисунок 3.21), уменьшении общего водопритока в горные выработки и, соответственно, подъеме уровня нижнекаменноугольного горизонта. При этом устанавливается четкая взаимосвязь между положением пьезометрической поверхности нижнекаменноугольного горизонта, величиной расходов скв. 806 и общим водопритоком в шахту во времени (Рисунок 3.22). С ростом дебита скв.

806 при относительном постоянстве расходов других скважин наблюдается синхронный рост водопритоков в горные выработки и закономерное падение уровня в наблюдательных скважинах на нижнекаменноугольный водоносный горизонт. И, наоборот, с уменьшением дебита дренажной скважины 806 сокращается общий водоприток и возрастают напоры карбонового горизонта.

Рисунок 3.21 – Изменение дебита скв.

806 (м3/ч) за август 2007 – ноябрь 2014 гг.

Рисунок 3.22 – Изменение общего водопритока и уровня нижнекаменноугольного горизонта во времени в зависимости от дебита скв.

806 Алгоритм воздействия закладки выработанного пространства на изменение гидродинамических условий нижнекаменноугольного водоносного горизонта может быть показан в виде трех последовательных позиций:

При этом следует учитывать возможность постепенного снижения прочности закладочного материала, которая фиксировалась в ходе полевых и лабораторных наблюдений, что будет сказываться на деформациях кровли горных выработок на горизонте -370 м и увеличении проницаемости легких бетонов, и, соответственно, отражаться на изменении структуры фильтрационного потока подземных вод, динамике водопритоков и колебании пьезометрической поверхности нижнекаменноугольного горизонта [144].

Анализируя характер роста водопритоков (Рисунок 3.23), определяемый осушением руднокристаллического водоносного горизонта и интенсивностью перетекания нижнекаменноугольного горизонта, необходимо отметить, что в 2005-2006 гг. суммарный водоприток к шахте существенно не изменился по сравнению с предыдущими годами.

Рисунок 3.23 – Изменение общего водопритока за январь 2005 – ноябрь 2014 гг.

Если в 2004 году он варьировал от 405 до 450 м3/час, то в течение последующих двух лет (исключается 2007 г) минимальная и максимальная его величины составили соответственно 411 и 440 м3/час. В конце июня–июля 2007 года заметно возрос общий приток воды в водоприемную систему Яковлевского рудника, что, как уже было сказано ранее, связано с началом функционирования скв. 806 с дебитом более 100 м3/час. Если проанализировать средние значения водопритоков за 6 месяцев в течение 2007 – 2014 гг., то отмечается следующая закономерность изменения расходов.

Во втором полугодии 2007 г. – первом полугодии 2008 г.

происходило увеличение расходов за счет притока из скв. 806 и постепенный выход этой скважины на стационарный режим. Со второй половины 2008 г. отмечается снижение водопритока, которое вызвано стагнацией горных работ на руднике изза экономического кризиса. Осушение руднокристаллического водоносного горизонта приводит к тому, что статические запасы оказываются сработанными, дебиты дренажных скважин минимальны, а некоторые скважины перестают функционировать. Снижение дебита скв. 806 до 32 м3/час сказалось и на уменьшении общего водопритока с 2012 г. и до июня 2013 г. С июня 2013 г. по октябрь 2013 г. наблюдается некоторое увеличение дебита скв. 806 до 47,4 м3/час, а также общего водопритока. Постепенное осушение руднокристаллического горизонта, интенсификация горных работ, сопровождающаяся добычей руд, приводит к усилению перетекания вод из нижнекаменноугольного водоносного горизонта за счет работы действующих скважин, в которых зафиксирован такой подток. С июля 2013 по июль 2014 г. наблюдается повторное увеличение дебита скв. 806, сопровождавшееся ростом общего водопритока в шахту до уровня 2007гг. и снижением уровня нижнекаменноугольного горизонта примерно на 20 м. В августе 2014 года зафиксировано сравнительное небольшое падение дебита скв. 806 с 88 м3/ч до 72 м3/ч, что немедленно отразилось на уменьшении общего водопритока и подъеме уровней во всех наблюдательных скважинах на вышеуказанный горизонт на 2-4 м.

Бурение новых дренажных скважин на горизонте -370 м позволяет перехватывать потоки фильтрующихся по направлению к горным выработкам вод нижнекаменноугольного горизонта, что проявляется как в снижении дебита уже функционирующих скважин, гидравлически связанных с вновь пройденными, так и в ослаблении некаптированных водопроявлений по тектоническим трещинам на горизонтах -370 и -425 м, вплоть до полного их осушения. Изменение режима увлажнения локальных участков подземных выработок незамедлительно сказывается на характере деятельности в них микробиоты. Осушение, либо ослабление водопроявлений приводит к замедлению развития микроорганизмов, постепенному снижению объемов микробных слизей на поверхностях крепей, горных пород и руд вплоть до полного их исчезновения в условиях отсутствия увлажнения, уменьшению интенсивности коррозионных процессов, скорость которых в условиях ограниченности подземных вод будет значительно падать, определяясь, главным образом, гигроскопической влажностью воздуха. Рост напоров в нижнекаменноугольном водоносном горизонте и связанная с ним интенсификация перетекания подземных вод приведут к более активному развитию биокоррозионных процессов конструкционных материалов, при этом появляется возможность выноса в растворенном состоянии продуктов коррозии и их переотложения.

3.3 Мониторинг экзогенных процессов в горных выработках с учетом микробиологической деятельности 3.3.1 Общие сведения о развитии микробиоты в подземном пространстве Взаимодействием микроорганизмов и компонентов подземного пространства в настоящее время занимается молодая, но активно развивающаяся дисциплина, получившая название подземной микробиологии. В сферу ее интересов входят проблемы эволюции микробных сообществ в подземной обстановке, особенности их деятельности (негативной и позитивной) в различных по глубине горизонтах подземной среды. В долгосрочной перспективе исследования в данной области могут существенно скорректировать существующие представления о рациональном недропользовании и безопасности ведения горных работ, строительстве и эксплуатации подземных транспортных сооружений, глубоком захоронении опасных промышленных отходов, в первую очередь, радиоактивных.

Первые исследования микроорганизмов в почвах и подземных средах были начаты еще в конце 19 века. При этом изучалось влияние деятельности микроорганизмов на круговорот веществ в биосфере, образование и разрушение горных пород, формирование химического состава подземных вод, месторождений полезных ископаемых, изменения осадочной оболочки Земли и др.

Возможность активного воздействия микроорганизмов на геохимические процессы впервые была выявлена в период XIX-XX вв. работами выдающихся русских микробиологов, академиков С.Н. Виноградского и Г.А. Надсона [24].

Фундаментальным трудом, положившим начало развития геологической микробиологии, считается первая книга, опубликованная Г.А. Надсоном в 1903 году, под названием «Микроорганизмы как геологические деятели» [46].

Впервые о наличии бактерий в глубоких слоях биосферы (до 1000 м), в частности, в глубинных нефтяных водах заговорил в 1901 г. инженер В. Шейко, который в то время работал на нефтяных промыслах в Баку. Спустя четверть века в 1926 г. E. Бастин опубликовал статью о нахождении сульфатредуцирующих бактерий в пластовых водах нефтяных месторождений США. В августе 1926 г появилась статья Т.Л. Гинзбург-Карагичевой об исследовании пластовых нефтяных вод Апшеронского полуострова, в которых она также обнаружила сульфатредуцирующие бактерии. Этими работами был начат первый этап исследования нефтяной микрофлоры. Именно Т.Л. Гинзбург-Карагичевой удалось доказать возможность активного развития микробной деятельности на глубине более 1 км [56].

Благодаря изучению подземных вод в районах нефтяных месторождений, многими исследователями было показано, что на глубинах, доступных для бурения нефтеразведочных скважин и для исследований (глубина более 5000 м), существует разнообразная, уникальная и активная бактериальная жизнь (Оборин и др., 1999; Иларионов и др., 2000; Pedersen, 1993; Ehrlich, 1996; Fredrickson, Onstott, 1996; Machel, Foght, 2000 и др.). В настоящее время расширены границы существования бактерий до глубины 6-7 км (Ehrlich, 1996; Machel, Foght, 2000) [24].

Первый международный симпозиум, посвященный вопросам изучения деятельности микробиоты в подземной среде («International Symposium for Subsurface Microbiology») состоялся только в 1990 г. в г. Орландо (Флорида, США). Актуальность изучения деятельности микробиоты в подземном пространстве и ее влияния на его основные компоненты (горные породы и конструкционные материалы) была особенно подчеркнута в 1996 г. в рамках международного симпозиума в Давосе, где было выделено новое направление микробиологии – подземная микробиология («Subsurface Microbiology»). С 1990 г.

такие симпозиумы стали организовываться каждые 3 года. Первые шесть были проведены на территории США и Европы. Последние из них – в октябре-ноябре 2014 г. прошли в штате Калифорния, США и в Мельбурне (Австралия).

На совещании Международного сообщества по проблемам подземной микробиологии (ISSM), состоявшемся 5-10 октября 2014 года в Пасифик Гров (Калифорния, США), важно место занимали доклады, посвященные проблемам горно-промышленной микробиологии, представленные ведущими научными центрами США - университетом Райса (Техас), Колорадской горной школой, университетами Чикаго и Оклахомы; Канады – университетами Калгари и Виндзора;

Германии – Йенским университетом и Мюнхенским Центром Гельмгольца;

Финляндии – Техническим исследовательским центром VTT. В частности университетом Оклахомы опубликован доклад «Коррозия углеродистых сталей под воздействием кислых продуктов метаболизма микроорганизмов при высоком содержании CO2 и отсутствии сульфатредуцирующих бактерий».

В настоящее время подземная микробиота в выработках действующих и заброшенных рудников активно изучается на объектах, расположенных на территории Англии, Германии, Швеции, Швейцарии, США и т.д. Так, например, на одной из заброшенных шахт в Англии исследуются бактериальные пленки на поверхности стенок выработок (Рисунки 3.24-3.25).

Рисунок 3.24 – Выделение слизей на Рисунок 3.

25 – Выделение слизей на поверхности стен заброшенного поверхности стенки вагонного депо в рудника в графстве Дербишир месте разгрузки трещинных вод (Англия) [109] гранитного массива на Яковлевском руднике Начиная с 2004 года, на Яковлевском месторождении богатых железных руд проводятся исследования микрофлоры, рассматривается влияние микробной деятельности в подземных горных выработках на прочность и деформационную способность БЖР, а также на биокоррозию конструкционных материалов (Рисунок 3.26), в том числе на прочность закладочных смесей [25,31,32].

–  –  –

Впервые активная деятельность микробиоты на Яковлевском месторождении была установлена в 2003 г. Внимание к микробиологической активности в подземных выработках привлекли явно выраженные особенности коррозии материала стальных труб на горизонте минус 425 м. Исследование разрушенных фрагментов металла показало наличие в пробах богатого биоценоза, в том числе микромицетов и бактерий с высокой численностью [29].

Позднее высокая степень микробиологической активности БЖР была обнаружена по характеру поражения ткани брезентовых мешков, в которых свежие пробы руды могли храниться не более 7-10 дней. Отметим, что еще во второй половине прошлого столетия был предложен метод для оценки биологической активности почв и влажных грунтов по скорости разрушения батистовой ткани.

Считается, что если через месяц взаимодействия ткани с грунтом заметны признаки ее разрушения, либо почернение, то такой грунт (или почва) должен рассматриваться как коррозионно-активный с точки зрения воздействия микробиоты.

В случае Яковлевского рудника прочная ткань имела все признаки сильнейшего биологического поражения после недельного - десятидневного контакта с БЖР, особенно «красками». Исследование повреждённого материала позволило выявить на нем довольно сложное по составу микробное сообщество. В результате микологического анализа обнаружено семь видов микромицетов: Aspergillus nidulans, Doratomyces stemonitis, Fusarium oxysporum, Mucor plumbens, Phiapophora fastigiata, Penicillium verrucosum, Sporotrichum pruionosum. Среди найденных видов были отмечены активные биодеструкторы [113,114].

Не осталось незамеченным и наблюдаемое на руднике обильное выделение слизи на стенках выработок (Рисунок 3.27) и металлических конструкциях, свидетельствующее о деятельности разнообразных групп микроорганизмов, прежде всего, железобактерий.

–  –  –

влажности. Значения ММ в случае воздушно-сухих образцов оказались в пределах от 24,4 до 35,8 мкг/г. При увлажнении проб водой из Яковлевского рудника наблюдался рост ММ в среднем в два раза. Наиболее интенсивная микробная деятельность была выявлена в рудах со слизью, где величина ММ достигала значений 205-365 мкг/г (Таблица 3.3) [29,146].

–  –  –

деструктивных свойств выявленных микроорганизмов по отношению к металлическим конструкциям и бетонам заставляют внимательно проанализировать уровень опасности такого процесса, имеющего прямое отношение ко времени эксплуатации металлических крепей и их повторного использования [144].

3.3.3 Специфика микробиологического мониторинга на руднике

Важной частью изучения микробиологической деятельности в подземных выработках рудника является визуальное обследование состояния конструкционных материалов, оценка которого основывается на проявлении признаков физического (отслаивание, осыпание, возникновение углублений и каверн), химического (образование различных поверхностных корок и наслоений) и биологического (формирование биопленок, поверхностных налетов и отдельных колоний) преобразования.

При проведении комплексного мониторинга горных выработок в 2012гг. были поставлены следующие задачи: 1) изучение основных факторов формирования агрессивности среды по отношению к конструкционным материалам, в т.ч. крепям и закладке из легких бетонов; 2) выявление состава и структуры микробных сообществ, способных оказывать негативное воздействие на подземные конструкции; 3) установление возможных путей, процессов и последствий накопления микроорганизмов в БЖР.

Проведение микробиологического мониторинга сопровождалось отбором проб поврежденных материалов (металлов и легких бетонов закладки), различных натечных форм с подземных конструкций и стенок выработок. Особое внимание было уделено отбору проб из водопроявлений на рабочих горизонтах с целью установления факта поступления микроорганизмов-деструкторов в горные выработки с подземными водами (см. раздел 2.2).

Бактериологический и микологический анализы отобранных образцов проводились на лабораторной базе Санкт-Петербургского государственного университета с применением современных диагностических методов.

Для получения максимально полной и объективной картины процессов биокоррозии часть проб исследовалась методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ). Данный метод позволяет проанализировать распределение биодеструкторов в поверхностном слое корродирующего материала, выявить глубину и характер коррозионных процессов, а также оценить степень трансформации поверхностного слоя материала.

Для определения фазового состава продуктов коррозии на поверхности материалов и конструкций использовался рентгено-фазовый анализ (РФА).

Для оценки агрессивности выявленных биодеструкторов в отношении материалов и конструкций Яковлевского рудника определялась способность микроорганизмов к выделению во внешнюю среду органических кислот. Первичный анализ ацидофицирующей активности микроорганизмов оценивали путем добавления в питательные среды карбоната кальция. О выделении кислот судили по образованию зоны растворения карбоната кальция вокруг выросших колоний.

О характере разрушения металлов и бетонов в подземных выработках судили по результатам анализа химического состава водных вытяжек приготовленных из проб разрушенных конструкционных (Рисунок 3.29), материалов и натечных форм (высолов, наростов, сталактитов и др.), образующихся на поверхности конструкции в результате выноса продуктов коррозии с потоком фильтрующихся вод (Рисунки 3.30-3.32).

–  –  –

Для водных вытяжек определялось содержание следующих компонентов:

алюминия и кремниевой кислоты, присутствие которых в продуктах коррозии свидетельствует о разрушении алюминатов и силикатов кальция – основных цементных минералов бетонов;

сульфатов, наличие которых может свидетельствовать о деятельности тионовых бактерий и микромицетов, а также о химических процессах разрушения бетонов с образованием гидросульфоалюмината кальция;

кальция и магния, наблюдающихся при разрушении не только цементных минералов, но и гидрооксидов в бетонах;

соединений азота, прежде всего, нитритов и нитратов, накопление которых связано с действием нитрифицирующих бактерий, а также ионов аммония, которые также могут иметь микробный генезис и свидетельствовать о загрязнении продуктами жизнедеятельности человека;

гидрокарбонатов, формирующихся при разрушении цементов бетона и гидроксидов при участии в этом процессе диоксида углерода – продукта жизнедеятельности микроорганизмов;

железа, поступающего в раствор при протекании электрохимических процессов в анаэробной среде, а также подкислении подземных вод за счет образования органических и неорганических кислот микроорганизмами;

хлоридов, концентрация которых во многом связана с подземными водами, принимающими участие в обводнении мест пробоотбора, прежде всего, вод руднокристаллического горизонта и особенно минерализованных вод тектонических трещин.

Как обязательное условия определялись величины ХПК, БПК5 и перманганатной окисляемости, позволяющие судить о содержании легко- и трудноокисляемой органики, а также деятельности аэробных форм микроорганизмов и их вкладе в процессы коррозии. Кроме того, к важным изучавшимся параметрам относятся общая жесткость и сухой остаток.

3.4 Выводы по главе 3

1. Комплексный гидрогеомеханический мониторинг, разработанный Горным университетом для Яковлевского рудника с целью контроля процессов перетекания подземных вод из нижнекаменноугольного горизонта, вторичного увлажнения богатых железных руд, а также обеспечения устойчивости горных выработок и водозащитного целика на горизонте -370 м, включает широкий спектр инженерно-геологических наблюдений.

Постепенное углубление исследований на протяжении более 10 лет, расширение методологии работ позволили выделить в рамках составленной систематизации процессов природного и природно-техногенного генезиса коррозию конструкционных материалов и заговорить о высокой значимости данного процесса для безопасности горных работ и о необходимости контроля микробной деятельности в подземных выработках.

2. Подземные воды играют важную роль в расселении микроорганизмов на Яковлевском руднике и активизации их жизнедеятельности. Наблюдения за интенсивностью их перетекания осуществляются в рамках гидрохимического мониторинга в подземных выработках по ряду диагностических признаков:

снижению минерализации и содержания хлоридов при одновременном росте гидрокарбонат-иона, сероводорода и фтора. Особое внимание обращается на сероводород и углекислый газ, имеющие биохимическое происхождение, а также бор и бром. Согласно выполненным в 2013-14 гг. наблюдениям, области перетекания на обследованных горизонтах в сравнении с 2012 г. не претерпели существенных изменений, что говорит об относительно стабильной гидродинамической ситуации.

3. Гидродинамические условия Яковлевского рудника закономерно изменяются во времени, определяясь технологией ведения дренажных и закладочных работ. Изменение интенсивности перетекания маломинерализованных вод нижнекаменноугольного горизонта, дающего свыше 70% водопритока на руднике, рассматривается с позиций постепенного снижения прочности закладочного материала и коррозионного разрушения бетонных и металлических конструкций в горных выработках под воздействием содержащегося в фильтрующихся водах агрессивной микробиоты и продуктов ее метаболизма. Изменение режима увлажнения локальных участков подземных выработок незамедлительно сказывается на характере деятельности в них микроорганизмов и интенсивности протекающих процессов биокоррозии.

4. Исследования микроорганизмов в подземных средах были начаты еще в конце 19 века, а в начале 20-го века стали появляться первые сведения о наличии бактериальной жизни в глубоких слоях биосферы. В 1990 г. состоялся первый международный симпозиум, посвященный вопросам изучения деятельности микробиоты в подземной среде, а с 1996 г. было заложено новое научное направление - подземная микробиология. В ходе исследований микробной деятельности в выработках Яковлевского рудника с 2003 г. был выполнен широкий комплекс работ, включавший определение микробной массы в различных типах руд при изменении режима их увлажнения, изучение численности и видового состава микроорганизмов в рудах, подземных водах, различных вторичных образованиях.

5. Впервые изучение роли микроорганизмов в развитии биокоррозионных процессов в горных выработках Яковлевского рудника было начато в 2006 г., а затем продолжено в 2013-14 гг. в связи с наблюдавшимся активным разрушением бетонов и металлов. Исследования включали в себя визуальные обследования, отбор проб поврежденных конструкционных материалов для микробиологического анализа, а также изучения химического состава методом приготовления водных вытяжек. В комплекс работ были также включены исследования методом сканирующей электронной микроскопии и рентгено-фазовый анализ.

ГЛАВА 4 ВЛИЯНИЕ МИКРОБНОГО ФАКТОРА НА УСТОЙЧИВОСТЬ

КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

4.1 Результаты визуального обследования горных выработок Как было сказано в предыдущей главе, для анализа и оценки развития биокоррозии арочных крепей в подземных выработках Яковлевского рудника в 2013-2014 гг. был проведен специализированный мониторинг активности биохимического процесса разрушения металлических конструкций. В ходе наблюдений осуществлялось детальное описание форм разрушения материалов, производилась фотофиксация зон деструкции конструкций. Проведенные работы выявили в обследованных выработках следующие формы разрушения.

Корки и наслоения на поверхности металлических конструкций, 1.

образованные продуктами биохимической коррозии, которая приводит к отслаиванию, формированию мелких углублений (питтинга) и, как следствие, постепенному снижению прочности материала за счет изменения структуры металлов и снижения толщины крепи.

Поверхностные наслоения различной плотности и окраски 2.

(биопленки), сформированные колониями микромицетов и бактерий. Обрастания развиваются, главным образом, в местах водопроявлений. Местами формируются черные макробиопленки, связанные с деятельностью сульфатредуцирующих бактерий, восстанавливающих сульфаты до сероводорода с дальнейшим образованием гидротроилита (FeSnH2O). Широко распространены слизистые наслоения охристого цвета, связанные с развитием железобактерий.

Образование солевых налетов и натечных форм на стенках горных 3.

выработок, сопровождающееся ростом сталактитов желтого, зеленого, бурого или почти черного цвета, обусловленного формированием различных соединений железа.

Растрескивание железобетонных плит-стяжек, их отслаивание в зоне 4.

контакта с металлическими элементами, прогрессирующее разрушение арматуры.

Обширные разрастания мицелия (грибницы) белого цвета, 5.

принадлежащей базидиальным грибам. Грибница начинает развитие с пораженной

–  –  –

3) интенсивностью вентиляции – слабое проветривание способствует росту влажности, развитию застойных явлений, разрастанию в выработках мицелия микромицетов, образованию на поверхности руд и конструкционных материалов биопленок; такие процессы наблюдаются в откаточных орты и разведочных штреках горизонта минус 425 м, а также в большинстве удаленных от зоны ведения горных работ выработок горизонта минус 370 м;

4) наличием деревянной забутовки металлических крепей, служащей источником расселения и накопления мицелиальных грибов; эффект усиливается при слабой вентиляции и наличии активных водопроявлений; ярким примером могут служить ШВБ-2, ШВБ-3, ШВБ-4 на горизонте -425 м и др.;

5) типом пород и руд, в которых пройдены горные выработки; хотя общий уровень интенсивности биокоррозионных процессов высок по всему руднику в независимости от типа вмещающих пород, по результатам визуальных обследований удается выделить БЖР типа «краски», в местах преобладания которых происходит наиболее активное разрушение металлических арочных крепей; в таких рудах пройдены выработки висячего бока рудной залежи ШВБ-3 и ШВБ-4, ряд разведочных штреков – №1, №4, №8 на горизонте - 425 м, а также большинство очистных заходок горизонта - 370 м.

В подземном пространстве рудника отмечается накопление биодеструкторов, а общий фон микробиологической опасности может расцениваться как достаточно высокий. О высокой активности микромицетов косвенно свидетельствует факт массового развития колоний на предметах одежды, случайно оставленных в горных выработках.

4.2 Влияние деятельности микробиоты на конструкционные материалы (по данным анализа водных вытяжек и микробиологического опробования)

–  –  –

Методически изучение процессов биокоррозионного разрушения материалов на Яковлевском руднике проводилось с использованием комплекса методов, включавшего: 1) химические анализы водных вытяжек, приготовленных из отобранных при обследовании горных выработок проб, на 13 компонентов и дополненных определениями pH, жесткости, сухого остатка, БПК5, ХПК и перманганатной окисляемости; 2) специализированные микробиологические исследования. Особое внимание обращалось на микробиоту, участвующую в процессе разрушения конструкционных материалов (и, соответственно, формирования химического состава водной вытяжки), а также на природу поступления необходимых для развития этой микробиоты питательных веществ.

Результаты химического анализа водных вытяжек типовых проб приведены в таблице 4.1.

Первая из проанализированных проб была отобрана в квершлаге №1 третьего рудного ствола в 50 метрах от восстающей скважины №15к (Рисунок 4.2).

Проба представлена натечными формами хрупкими, полыми внутри сталактитами черно-коричневого цвета, свисающими с прутьев металлической арматуры арочной крепи. Длина сталактитов достигает 10-15 см. Чернокоричневый цвет указывает на протекание здесь процессов окисления закисного железа, которое, как известно, при переходе из двухвалентной в трехвалентную форму приобретает коричневую окраску, а также на образование гидротроилита и органических соединений.

–  –  –

На участке пробоотбора деревянная забутовка отсутствует, металлическая крепь находится в непосредственном контакте с железистыми кварцитами.