Разведка и эксплуатация Липовского водозабора при его взаимодействии с выведенным из разработки карьером никелевых руд

Автор: Палкин С.В., Палкин С.С.

Липовский водозабор системы централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения г.Реж Свердловской области был разведан в семидесятых годах ХХ века. Его особенность заключается в том, что в период разведки и изучения он совмещался с водопонизительной системой действовавшего в то время Липовского рудника по добыче силикатных никелевых руд, а после завершения горно-добычных работ – оказался на берегу возникшего в бывшем карьере глубокого водоема (рис.1 ).

Эксплуатационные запасы питьевых подземных вод по Липовскому водозабору были утверждены ГКЗ СССР в 1978 году (протокол № 8130) по промышленным категориям в количестве 13.82 тыс.м³/сутки. Как отмечено в протоколе, это был один из первых в стране примеров обоснования возможности использования так называемых «дренажных» вод для централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения населения. Причем, в условиях опережающего водопонижения, когда разрабатываемый карьер постоянно «висел» над динамическим уровнем, находясь во втором поясе зоны санитарной охраны водозаборных (водопонизительных) узлов.

Несколько позже такие водные объекты получили название «месторождений подземных дренажных вод в массивах трешиноватых и закарстованных пород, заключающих безнапорные воды» (Язвин Л.С. и др., 1992г.).

Липовское месторождение силикатного никеля (сейчас Липовское месторождение подземных вод) расположено в пределах восточного экзоконтакта Мурзинско-Адуйского гранитоидного массива и приурочено к сложной в тектоническом отношении брахисинклинальной структуре (прогибу) Мурзинского антиклинория.

В геологическом строении объекта принимает участие разнообразный комплекс изверженных, метаморфических и осадочных пород, инъецированных дайками гранитов, аплитов, пегматитов. Непосредственно на водозаборном участке развиты мрамора и гранитоиды, вмещающие тела серпентинитов. На коренном субстрате палеозойского возраста развита линейная, в меньшей степени - площадная мезозойская кора выветривания (рис. 2).

Наибольшую сохранность (первично развитый профиль) кора сохранила в контактах серпентинитовых тел с мраморами, где образовались промышленные никельсодержащие залежи. Главными минералами – носителями никеля являются: разложенный серпентин, нонтронит, непуит, гарниерит, керолит, гр. псиломелана. Все они относятся к группе гидросиликатов магния и алюминия; кроме того, в гипергенных условиях никель может адсорбироваться гидроокислами железа, марганца и глинистыми минералами и частицами. Во вмещающих и вскрышных породах, а также в трещинных зонах с проявлением наложенного гидротермального оруденения присутствует рассеянная сульфидная минерализация. Так, зоны минерализации в мраморах, пространственно связанные с дайками гранитоидов, помимо самоцветных минералов содержат пирит, пирротин, скаполит. Карстовые полости, наиболее активно развитые в тектонически напряжённых зонах, часто заполнены лигнитом с крупными растительными остатками и с вторичной минерализацией пирита и марказита.

По современной схеме гидрогеологического районирования Липовское месторождение расположено в пределах Большеуральского сложного бассейна корово-блоковых, пластово-блоковых и пластовых безнапорных и субнапорных вод.

Структурно-тектоническое и геологическое строение района определяет специфические гидрогеологические условия объекта. Сочленение 3-х разно ориентированных прогибов в одном узле, наличие многочисленных тектонических нарушений и карбонатных закарстованных пород обеспечивают сосредоточение здесь грунтового потока с большой площади водосбора.

Питание подземных вод осуществляется преимущественно за счёт инфильтрации атмосферных осадков. Разгрузка происходит в местные понижения рельефа и далее в долины рек Бобровка, Липовка, Мостовка, Реж. Условия питания, в целом, благоприятны в силу небольших уклонов поверхностей водосборных площадей, их преимущественной залесённости, частичной заболоченности и сравнительно малой мощности рыхлых покровных отложений.

Подземные воды, имеющие развитие в данном районе, представлены пластово-поровыми, трещинными, трещинно-жильными и трещинно-карстовыми типами.

Рыхлые мезокайнозойские отложения имеют слабую и спорадическую обводненность. Гнейсы и кристаллические сланцы характеризуются неравномерной и, в целом, также невысокой производительностью скважин от 0.2 до 6.3 л/с при понижении уровня до 15-17 м. Водоотдача серпентинитов вне зон контактов и тектонических нарушений невелика, удельные дебиты скважин не превышают 0.1 л/сек. Существенно больший дебит получен при откачке скважины, пройденной в зоне тектонического нарушения в серпентинитах -10.9 л/с при понижении 1.4 м. Такой же неравномерной водообильностью характеризуются и граниты. Наиболее обводнёнными являются карбонатные породы - известняки и мрамора. Наибольшую производительность скважины имеют при проходке их в тектонически нарушенных и интенсивно закарстованных зонах. Дебит таких скважин достигает 90 л/с.

По результатам гидрохимического опробования общий облик подземных вод в естественных условиях характеризуется развитием гидрокарбонатных кальциевых и кальциево-магниевых вод с минерализацией, не превышающей 0.3 г/л. Металлогенические особенности района, проявляющиеся прежде всего в широком развитии ультрабазитов и никеленосных кор выветривания, обуславливают присутствие в подземных водах определённой группы металлов – никеля, кобальта, кадмия, хрома, но в содержаниях существенно ниже нормативных для питьевых вод. В частности, природно-фоновое значение никеля составляет 0.02 мг/дм³.

Начало открытой разработки никелевых руд относится к 1960 году. С 1961 года на построенном карьере было организовано водопонижение; были созданы два мощных водозаборных узла (Западный и Восточный) из 3 – 5 скважин, каждая глубиной 200 метров. Их рабочие части находились в закарстованных известняках, которые частично обнажались в бортах карьера.

Производительность постоянно осуществляемого опережающего водопонижения постоянно наращивалась по мере углубки основного карьера на залежах 1 и 4 – 5   (рис. 1). В период постановки гидрогеологических работ по оценке ЭЗПВ, как питьевых, карьер имел глубину около 80 – 85 метров, среднегодовой расход дренажной системы составлял 160 –200 л/с при уровне 60 – 65 м, при статическом уровне 20 м.

Годы разведки и оценки ЭЭЗПВ рассматриваемого объекта удачно совпали с периодом «исторической засухи» на Среднем Урале в 1974-75 г.г., который характеризовался весьма низкой водностью, оцениваемой по стоковым характеристикам рек на уровне 95 –97 % обеспеченности. Это позволило базировать оценку запасов непосредственно на данных режимных наблюдений за расходом водопонизительной системы, за уровнями подземных вод и показателями их качества.

Выполненный в течении 1974 – 78 г.г. комплекс гидрогеологических исследований, включающих, помимо режимных наблюдений, создание представительной сети наблюдательных скважин, гидрологических работ на постоянных и серийных створах рек, а также всестороннее изучение показателей химического и санитарного состояния извлекаемых из недр поземных вод, позволили с необходимой детальностью и достоверностью количественно оценить источники формирования ЭЗПВ, а главное – соответствие качества воды действующим тогда питьевым стандартам в реальных условиях горнорудного производства (взрывные работы, применение разнообразной техники и автотранспорта, наличие обслуживающей инфраструктуры, размещенной на восточном борту карьера и др.).

В конечном итоге было установлено следующее:

1. Расход водопонизителньой системы в минимальный по водности год (расчетный период), суммарно равный 160 л/с (13.82 тыс. м³/сутки), формируется за счет естественных ресурсов в нарушенных гидрогеологических условиях (120 л/с) и поглощения транзитного поверхностного стока малых рек, приходящего с их верховий к зоне созданной депрессии.

При этом общая площадь питания составила 100 кв. км при площади активной части воронки депрессии – 30 – 40 км. Эксплуатационный модуль водопонизительной системы составил, таким образом, 1.6 л/с*км², что примерно соответствовало 50 % нормы отметок стока для данного региона Урала.

2. Качество подземных вод, как питьевых, устойчиво соответствовало действующему в то время ГОСТу 2874 – 73. Это были пресные (сухой остаток до 0.2 г/л) гидрокарбонатные кальциево-магниевые воды со слабощелочной реакцией среды, общей жесткостью 2.8 – 4.9 мг.экв./дм³; содержание сульфатов и хлоридов не превышало соответственно 1.2-40.7 и 3.5 – 10.6 мг/дм³. Из микрокомпонентов обнаруживались, но в содержаниях ниже ГОСТовских для питьевых вод, марганец, кобальт, никель, бериллий, мышьяк, медь, цинк. Вода обладала благоприятными органолептическими свойствами и была здорова в бактериологическом и безопасна в радиологическом отношениях. Единственным отрицательным показателем являлось кратковременное повышение мутности воды непосредственно после производства массовых взрывов скальных пород палеозойского субстрата при формировании рабочих уступов карьерной выемки.

При рассмотрении отчета с подсчетом ЭЗПВ в ГКЗ СССР авторские цифры запасов были приняты, но было рекомендовано предусмотреть их отбор из обоих водопонизительных узлов (Западного и Восточного) с тем, чтобы была возможность управляемого выбора одного из них, как эксплуатационного питьевого, при возможных отклонениях качества по органолептическим или другим показателям.

После утверждения запасов дренажных подземных вод для централизованного водоснабжения г.Реж (1978 г.) горно-эксплуатационные работы на Залежах 4-5 продолжались с одновременной засыпкой относительно неглубокого карьера на отработанной залежи 1 (рис. 1 ) породами вскрыши и некондиционных руд. Пока велось проектирование и строительство водозаборной системы (с трактом подачи воды в город протяженностью почти 20 км), карьер продолжал углубляться и к 1991 году понижение достигло своего максимума – 127 м от статического (абс. Отм. +93 м) при среднегодовом расходе 250 л/с (21.6 тыс. м³ /сутки) – рис. 2, 3 ). Выработанное пространство составило 51 млн. м³. При этом, начиная с декабря 1989 года, когда был наконец-то построен водовод и головные сооружения питьевого водозабора, рудничный вертикальный дренаж стал работать и как водозаборная система при сбросе «излишков» извлекаемых ресурсов в местную речную сеть. Возросшая глубина водопонижения и наступивший на Среднем Урале многоводный климатический цикл определили значительную производительность водозаборно-водопонизительной системы при практически неизменной площади питания и активной части депрессии. Эксплуатационный модуль этого периода, равный 2.5 л/с*км², отражал как повышенную водность лет, так и определенную долю статических запасов, сработка которых была необходима для добычи никелевых руд из наиболее глубоких зон рудной толщи.

Качество воды в этот период – период максимального водопонижения, оставалось, как и в предыдущие годы, неизменно благополучным, и соответствовало теперь уже ГОСТу 2874-82 «Вода питьевая». Однако, наметился небольшой положительный тренд по сухому остатку, содержанию сульфатов и (весьма неопределенно) – по хлоридам и нитратам в Восточном узле скважин. Содержание микрокомпонентов, включая никель, было всегда ниже нормативного.

В 1991 году балансовые запасы никелевых руд были практически отработаны, горное предприятие ликвидировано, а добыча подземных вод стала производиться только для водоснабжения города. В связи с этим произошло довольно резкое сокращение суммарного извлечения подземных вод: с 20-22 до 7-9 тыс.м³/сутки Началось интенсивное восстановление уровня подземных вод, вызвавшее постепенное затопление карьера залежи 4-5 и формирование в нем техногенного бессточного водоема, которое затянулось на многие годы и продолжается в настоящее время.

Постэксплуатационный (по отношению к добычному предприятию) период работы Липовского водозабора, который сначала изучался специалистами Гидрорежимной партии Уралгидроэкспедиции (Вострокнутов А.Г., Соклкин С.Б., Курочкин Ю.С.), а затем – фирмой ГИДЭК, оказался весьма интересным в гидрогеоэкологическом отношении. Ниже отмечаются основные особенности этого этапа работы Липовского водозабора.

Несмотря на то, что ранее созданная и существовавшая около 30 лет сложная геотехничсекая система (ГТС) Липовского месторождения силикатного никеля после 1991 года вступила в регрессивную стадию техногенеза (Кецко О.Г., 1996 г.), на этом объекте продолжали и продолжают действовать несколько техногенных и природных факторов, приводящих к проявлению определенных процессов и явлений.

Во-первых, как уже отмечалось, происходит, несмотря на добычу подземных вод для водоснабжения г. Реж (10-12 тыс. м³/сутки), восстановление уровня и уменьшение глубины созданной ранее воронки депрессии в палеозойском ВК. Одновременно внутри техногенного ландшафта ГТС (уступообразный карьер, горные выемки, большие и малые отвалы и пр.) формируется глубокий (сейчас около 80 м) бессточный водоем с площадью водного зеркала около 0.1 кв.км.

Поскольку в реальных условиях многоводных лет последнего десятилетия (обеспеченность выше нормы) величина добычи подземных вод ниже инфильтрационного питания гидрогеосферы, восстановление сработанных емкостных запасов продолжается, хотя и с явно замедляющемся темпом. Прогнозируется наступление в ближайшие годы установившегося гидродинамического режима техногенного озера, примерно на абс. отметке +170 м.

Во-вторых, на крутых отвалах бывших карьеров происходят гравитационные, эрозионные и эоловые процессы по их медленному, но постоянному разрушению и сносу в озерную котловину, в основном, тонко-дисперсного глинистого (алевриты, пелиты) и супесчаного материала, за счет которого в водоеме формируется слой донных осадков. Последний, вместе с ранее накопленными породными массами внутренних карьерных отвалов, формирует защитный экран на пути фильтрации поверхностных вод к работающим водозаборным узлам.

В-третьих, в техногенном водоеме, в результате процессов сернокислотного выщелачивания формируется своеобразный облик вод, представление о котором дает таблица 1.

Имеющиеся фактологические данные позволяют полагать, что указанный процесс сернокислотного обогащения воды в озере, если и не прекратился, то существенно замедляется. Так, если первые четыре года после образования озера шло постепенное обогащение воды сульфатными солями и никельсодержащими соединениями, то к 2000 году этот процесс стабилизировался или даже “деградировал”: содержание, например, никеля в воде уменьшилось по сравнению с 1993 – 1995 г.г. в 1,3 – 1,5 раза. Это может быть следствием объемного роста массы озерной воды при одновременно сократившейся площади ее контакта с никельсодержащими породами. Кроме того, вероятен процесс перехода никеля из воды в донные отложения в результате адсорбции его осаждающимися глинистыми частицами.

И, наконец, в четвертых, данные по качеству извлекаемых подземных вод обоими водозаборными узлами однозначно свидетельствуют о наличии вблизи Восточного узла скрытых источников бытового и промышленного загрязнения, которые определяют в нем своеобразный гидрохимический облик, отличный от Западного узла. Анализ геоэкологической обстановки показал, что такими источниками являются:

- ликвидированный (засыпанный) карьер №1, на бывшем борту которого и находится Восточный узел скважин. Размещенные в карьере грунты и породы содержат рассеянную сульфидную минерализацию (пирит, пирротин, марказит). Сформировавшийся здесь, после подъема уровня подземных вод от отметки +150 м и выше (после 1994 г.), техногенный водоносный горизонт стал служить “генератором” сульфатных солей;

- бывший приемник и трубный выпуск канализационных стоков промплощадки ликвидированного рудника, после их интенсивного хлорирования, в заболоченные верховья р.Бобровки (к юго-востоку от Восточного узла), которые существовали около 40 лет.

Указанные источники проявляются в относительно высоких концентрациях в воде Восточного узла таких компонентов, как хлор (до 12-14 мг/л), нитраты (до 27 – 36 мг/л), сульфаты (до 117 – 125 мг/л), а также в величине сухого остатка (476 – 486 мг/л), что не свойственно ни природным водам района, ни озерной воде карьера. По отношению к последней указанные показатели выше по хлоридам в 3 – 6 раз, по нитратам – в 5 – 6 раз, по сульфатам и величине сухого остатка – в 1,5 раза. Кроме того, в воде Восточного узла стал практически постоянно присутствовать никель в концентрациях близких ПДК, или их превышающих.

Ничего подобного в воде, добываемой Западным узлом, не наблюдается. Здесь качество воды, после прекращения горно-добычных работ и возникновения техногенного водоема, формируется, как и его эксплуатационные запасы, за счет естественных ресурсов площади питания и привлекаемых озерных вод. Причем, карьерный водоем продолжает служить основным “базисом дренирования” и приемником естественных безнапорных подземных вод, формируемых в палеозойском ВК, являлись своеобразным “большим колодцем”, к которому центростремительно поступает подземный поток с площади около 100 кв. км (рис. 1 ). Общий дебит Западного узла (127 л/с) удалось ориентировочно расчленить, используя известное уравнение смешения, по содержанию сульфат-иона в озерной воде (78 мг/л на глубине 10 – 20 м, лето 2000 г.), в воде водозаборного узла (54 мг/л) и в палеозойском ВК в фоновых условиях (6 мг/л). Оказалось, что доля инфильтрации поверхностных вод составляет 85 л/с, а на долю естественных ресурсов приходится – 42 л/с.

Каптажные возможности этого водозаборного узла в состоянии обеспечить отбор всех утвержденных ЭЗПВ.

Подземные воды Западного узла по обобщённым показателям являются пресными с сухим остатком 0.25-0.32 г/л, по анионно-катионному составу сульфатно-гидрокарбонатными кальций-магниевыми, водородный показатель находится в пределах 7.3-7.8, общая жёсткость – от 4 до 5 ммоль/л. Величина перманганатной окисляемости существенно ниже нормативно допустимого предела.

Нефтепродукты, поверхностно-активные вещества (ПАВ) и фенольный индекс – не превышают их предельных значений по питьевому стандарту.

Обширная группа нормируемых современным СанПиН неорганических веществ, включая характерные для региона железо, марганец, никель, кобальт, имеет показатели ниже ПДК. Например, содержание никеля находится здесь в пределах 0.02-0.04 мг/л. Исключением из сказанного является низкое содержание фтора (до 0.3 мг/л при нормативном 1.5 мг/л) и несколько повышенное – кремния. Содержание последнего колеблется от 8.3 до 10.5-12.2мг/л, то есть в отдельных случаях превышая ПДК в 1.2 раза. Кремний в воде - природного происхождения, его присутствие и величина отражают силикатных характер водовмещающих пород. Низкое содержание фтора – типично для открытых в гидрогеологическом отношении структур горноскладчатого Урала. Нормируемые питьевым стандартом органические вещества (линдан, ДДТ, 2.4Д) содержатся в значениях ниже ПДК.

Выполненные определения неорганических и органических показателей показывают присутствие в воде веществ 1 и 2 класса опасности, но их суммарное количество (по группам токсикологического воздействия) является допустимым.

В радиационном отношении воды безопасные. Органолептические свойства их благоприятные: запах – 0 баллов, цветности – до 5град., мутность – до 0.4мг/л. Температура воды – 6.4-6.5?С (сентябрь 1998г., апрель 20001 г.) при летней температуре воды в озере (на поверхности) + 13?С.

По исследованным микробиологическим и паразитологическим показателям подземная вода Западного узла является безопасной в эпидемическом отношении.

Сравнение современного качества воды Западного узла с показателями периода разведки и утверждения ЭЗПВ Липовского месторождения в 1974 – 78 г.г. показывает на их небольшое отличие. Заметные изменения здесь произошли по сухому остатку, сульфатам, что объясняется уже рассмотренными выше процессами. Важным является практическое затухание и стабилизация к настоящему времени процессов преобразования химического состава подземных вод в нарушенных гидрогеологических условиях, а главное – практически полное соответствие показателей нормам питьевого стандарта.

Таким образом, подземные воды Западного водозаборного узла практически по всем показателям (за исключением неустойчивого содержания кремния, эпизодически превышающего ПДК, и низкого содержания фтора) пригодны для питьевого водоснабжения. При сохранении сложившейся на сегодня геоэкологической и водохозяйственной обстановки на площади формирования его эксплуатационных запасов показатели качества подземных вод не претерпят какого-либо негативного изменения. Степень влияния на качество подземных вод техногенных факторов оценивается как допустимое или слабо выраженное (по СП 2.1.5.1059-01). Именно этот узел рекомендован специалистами ГИДЭК для дальнейшей эксплуатации. Восточный узел предложено поставить на надежную консервацию.

Выводы.

1. Дренажные подземные воды определенных типов месторождений твердых полезных ископаемых в открытых гидрогеологических структурах Среднего Урала могут служить полноценным источником не только технического, но и хозяйственно-питьевого водоснабжения.

2. Наиболее сложный период формирования показателей качества подземных вод таких объектов наступает в постэксплуатационный этап, после прекращения горно-добычных работ. Представляется, что “наименьшим злом” для сохранения приемлемого качества добываемых вод, как питьевых, является “мокрая” консервация бывших карьеров. При этом сохраняется возможность регулируемого и контролируемого отбора кондиционных подземных вод. Засыпка карьеров горной массой вскрыши и некондиционных руд приводит к формированию техногенных водоносных горизонтов (тел), представляющих собой постоянный источник загрязнения гидросферы и каптажей подземных вод.

3. Прогноз состояния подземных вод в постэксплуатационный период на новых объектах достаточно неоднозначен и должен базироваться на данных полноценного гидрогеоэкологического мониторинга и учитывать опыт эксплуатации аналогичных объектов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Петров С.М., Палкин С.В., Палкин С.С. “Оценка эксплуатационных запасов действующих водозаборов в г.Реж” (отчет о результатах работ АОЗТ “ГИДЭК” на Липовском месторождении ПВ с оценкой запасов по состоянию на 01.01.2002 г.), Екатеринбург, 2002 г.

2. Язвин Л.С., Кашковский Г.Н., Кочетков М.В., Лосев Ф.И. “Оценка эксплуатационных запасов дренажных вод месторождений твердых полезных ископаемых” Сборник научных трудов ВСЕГИНГЕО, Москва, 1992 г.