Что такое нарушение поверхности земли которое образуется при обрушении покровных отложений
Глава 2. Горнодобывающая промышленность
Л.И. Бондалетова
Промышленная экология
Учебное пособие / Том. политехн. ун-т. — Томск, 2002. — 168 с.
Глава 2. Горнодобывающая промышленность
2.5. Нарушение земной поверхности при разработке месторождений
Нарушения земной поверхности, непосредственно связанные с производством горных работ, ограничиваются в основном площадями горных отводов и территориями, выделяемыми для размещения отходов производства.
Существует несколько классификаций форм ландшафтных нарушений земной поверхности. По одной из классификаций нарушения делятся на траншеи, карьеры, отвалы (при открытых разработках) и впадины, провалы и отвалы породы (при подземных разработках). Отметим, что помимо перечисленных нарушений земной поверхности, значительные земельные участки занимаются отвалами сухих хвостов обогащения и хвостохранилищами.
По другой классификации рассматривают физическое, химическое и механическое нарушение земель.
Физическое нарушение земель характеризуется деформацией поверхности в результате воздействия горных работ, ухудшением структуры почвенного слоя из-за его обезвоживания или заболачивания, изменением природного ландшафта.
Химическое нарушение земель обусловлено их загрязнением кислыми шахтными водами, шламами, хвостами, высокоминерализованными рудничными и карьерными водами.
Механическое загрязнение земель вызывается пылевыми выбросами технологических производств, загрязнением земель отвалами, хвостохранилищами.
Все изменения земной поверхности отрицательно сказываются на ее биологических, эрозийных и эстетических характеристиках. Нарушения приводят к гибели или деградации растительного покрова; ухудшению качества или вообще потере плодородного почвенного слоя; к таким изменениям форм рельефа, что участки поверхности становятся малопригодными для продуктивного использования в сельском и лесном хозяйстве, а также для других целей. Результатом появления впадин и выемок на земной поверхности является изменение водных режимов и, как следствие, заболачивание местности. Лишенная растительного покрова поверхность земли подвергается интенсивной водной и ветровой эрозии.
Открытые разработки месторождений характеризуются наиболее обширными ландшафтными нарушениями, причем значительная часть их представляется в виде отвалов вскрышных пород, располагаемых за пределами карьерных полей. По данным американских исследователей, каждый участок земли, нарушенный при открытой разработке месторождений, оказывает вредное влияние на участок примерно такой же площади прилегающей территории.
Влияние размеров и количества карьеров
Рассмотрим возможности сокращения нарушения поверхности карьерными выработками при разработке месторождений стройматериалов. Одной из особенностей этих месторождений является их широкое распространение (глины, пески, гравий обнаруживаются почти повсеместно). В связи с этим около населенных пунктов, промышленных предприятий и строек возникает огромное количество карьеров разной, преимущественно малой, производственной мощности. При замене карьеров небольшой производительности меньшим количеством укрупненных карьеров помимо многих технических и организационных преимуществ достигается и значительное сокращение нарушаемых площадей земной поверхности.
Влияние расположения и количества отвалов
При открытой разработке месторождений расположение вскрышных пород внутри контура карьерного поля является оптимальным в отношении снижения площадей нарушаемых земель.
При расположении отвалов вскрышных пород за пределами контура карьерного поля могут быть выделены два варианта:
1) расположение отвалов на землях, непригодных для сельского и лесохозяйственного производства (овраги, балки, впадины и провалы, образовавшиеся вследствие подземной разработки месторождений, заболоченные земли и др.);
2) расположение отвалов на землях, ранее используемых в сельском или лесном хозяйстве или для других целей.
Первый вариант в отношении рационального землепользования предпочтительнее второго. Однако этот вариант целесообразен в тех случаях, когда непродуктивные земли располагаются на относительно небольших расстояниях от выработок, и затраты на транспортировку горных пород не являются чрезмерными. Экономическое сравнение определяет предпочтительность того или иного варианта.
Эти два варианта применимы и для горных предприятий подземной разработки, за исключением шахт с терриконами.
Количество породных отвалов
Оказывает довольно существенное влияние на размеры площади нарушаемых земель. В общем случае при одинаковых количествах пород, отсыпаемых в большее число отвалов, увеличивается площадь нарушаемой поверхности. Исключением является размещение пород на непригодных землях, при котором увеличение числа отвалов может оказаться весьма целесообразным, если засыпают несколько оврагов. В случае расположения отвалов на продуктивных землях порода, выдаваемая из подземных горных выработок, обычно отсыпается в один отвал, а на земельных отводах карьеров, наоборот, чаще сооружается несколько отвалов. Количество их определяется в основном экономичностью транспортирования вскрышных пород, при этом возможность сокращения площадей земельного отвода за счет уменьшения количества отвалов, как правило, не рассматривается.
Снижение нарушений подрабатываемой поверхности
Мероприятия по снижению или исключению деформаций земной поверхности в результате подземной разработки месторождений связаны с повышением потерь полезных ископаемых или значительным удорожанием добычных работ. В связи с этим они реализуются практически только в тех случаях, когда участки земной поверхности необходимо сохранять в связи с расположением на них городов, промышленных предприятий, газопроводов, водоемов и ценных лесных массивов.
Город Донецк с почти двухмиллионным населением расположен на территории горных отвалов 32 шахт, запасы угля под городскими постройками составляют 540 млн т. Под центральной частью города выемка угля из пологопадающих пластов мощностью около 1 м, залегающих на глубине 530 м, осуществлялась с полной пневмозакладкой выработанного пространства; повреждений конструкций даже многоэтажных зданий в течение ряда лет после подработки не наблюдается.
Карст и суффозия
Карст как явление
Карст представляет собой комплекс явлений и процессов, результатом которых является возникновение поверхностных и глубинных пустот в растворимых водою горных породах. Как вытекает из определения, под карстом понимают не только процесс растворения, но и его результат – образование специфических карстовых форм рельефа.
Необходимыми условиями развития карста являются наличие толщи растворимых пород и наличие вод. Активному протеканию карстовых процессов способствует также пористость и трещиноватость, обеспечивающая интенсивное движение вод в массиве растворимых пород.
Активному растворению карбонатов способствует наличие в водах минеральных или органических кислот, поступающих из почв.
Карстовые формы
Процессы развития карста наиболее ярко проявлены в образовании различных карстовых форм, среди которых в первую очередь выделяют поверхностные и подземные формы.
Поверхностные формы представлены бороздами – каррами, а также различным замкнутыми углублениями: воронками, ваннами, котловинами, польями, слепыми (замкнутыми в нижнем конце) долинами и балками, а также естественными колодцами и шахтами.
Карры являются микроформами карстового рельефа и представляют собой рытвины и борозды, глубиной от нескольких см до 1-2 м. Борозды и разделяющие их гребни либо протягиваются почти параллельно друг другу, совпадая с направлением уклона рельефа или падения слоёв горных пород, либо располагаются хаотично, ветвятся и сливаются друг с другом. Образование карров связано с воздействием атмосферных осадков и талых снеговых вод, основную роль при этом играет выщелачивание, лишь на крутых склонах проявляется также и эрозия стекающими водными струями. Карры иногда покрывают обширные площади, образуя карровые поля.
Наиболее распространённой карстовой формой являются воронки. Они имеют разнообразную форму (конические, котлообразные, блюдцеобразные либо в виде ям неправильной формы) и размеры (диаметр от 1 до 200 м и глубину от 0,5 до 50 м). На дне воронок и других понижений встречаются поноры – вертикальные или наклонные глубокие отверстия щеле- или колодцеобразной формы, поглощающие поверхностные воды и отводящие их в глубину карстового массива. По происхождению воронки разделяются на воронки поверхностного выщелачивания, образующиеся за счёт выноса в растворённом состоянии выщелоченной на поверхности породы через поноры или трещины; и провальные воронки, образующиеся за счёт обвалов сводов подземных карстовых полостей.
За счёт слияния нескольких воронок образуются более крупные карстовые формы – котловины. Ещё более масштабными поверхностными карстовыми формами являются полья – обширные, иногда громадные формы (до сотен км 2 ) с плоским дном и крутыми склонами, образующиеся за счёт слияния котловин. Глубина польев может достигать уровня грунтовых вод, из-за чего на их дне образуются временные или постоянные водоёмы, карстовые озёра (нередко полья частично подтапливаются только во влажный сезон, превращаясь во временные озёра.
В тропиках часто встречаются и положительные карстовые формы рельефа: башни, конусы, купола и т.п.
Типичными подземными формами являются карстовые пещеры. Обычно они имеют причудливые очертания, что обусловлено сложностью систем трещин (определяющих направление фильтрации растворяющих вод), их пересечением и неоднородностью состава карстующихся пород. Наиболее крупные карстовые пещеры возникают в зоне полного насыщения при заполнении трещинных зон напорными подземными водами.
Карстовые отложения
К карстовым отложениям относятся разнообразные по составу и генезису породы, объединяемые лишь общностью приуроченности к карстовым полостям.
Пещерные отложения в зависимости от происхождения можно подразделить на остаточные, гидрохемогенные, гидромеханические, гравитационные, биогенные и биохеогенные, антропогенные образования
Остаточные отложения формируются за счет накопления и переотложения нерастворимого остатка карстующихся пород. Характерными отложениями является терра-росса (от итал. terra rossa – красная земля) – красноцветные глинистые отложения, обогащённые гидроокислами алюминия и железа, представляющие собой нерастворимый остаток известняков. Терра-росса встречается как на дне карстовых воронок, так и в пещерах.
Гидромеханические (водные механические, инфлювиальные) отложения связаны с приносом водой в карстовые полости и трещины карстового массива твёрдых частиц. Для группы таких отложений, выполняющих трещины, иногда применяется специальный термин «кольматолиты» (от colmatage – вмывание). Представлены такие образования преимущественно скоплениями вязкой глины.
В некоторых пещерах накапливаются осадки, связанные с деятельность подземных рек. При этом значительная часть отлагаемого ими материала может быть связана в привносом частиц водным потоком из-за пределов собственно карстовых полостей. Из общего комплекса карстовых отложений они выделяются, если скорость движения потока достаточна высока, чтобы придать отложениями характерные структурно-текстурные особенности. Невысокие скорости движения подземных вод приводят к формированию глинистых отложений.
Отложения подземных озёр представлены различными осадками, источниками которых являются продукты выветривания коренных пород, минералы, кристаллизующиеся из озерной воды, а также материал, занесенный водными потоками (в том числе и подземными реками).
Особенно широкое развитие в пещерах имеют карбонатные натёчные образования. Воды, просачивающиеся по трещинам в карбонатных породах, обычно содержит много углекислого газа, что значительно увеличивает их растворяющую способность. Растворяя по пути своего движения известняки, вода насыщается кальцием в виде бикарбоната:
Когда насыщенная бикарбонатом кальция вода просачивается с потолка или стенок пещеры, она теряет часть углекислого газа; в результате нарушения равновесия реакция сдвигается влево. Бикарбонат переходит в карбонат кальция (СаСО3), который частично выпадает в осадок ещё в момент, когда вода находится на потолке пещеры:
Так из капель, просачивающихся с потолка пещеры, нарастают вниз натёчные образования, называемые сталактитами, а из капель, падающих на пол пещеры, образуются сталагмиты. Вода, стекающая по стенам пещер, образует кальцитовые драпировки, а при слиянии линейно расположенных сталактитов возникают занавеси.
Корочки кальцита часто образуются при испарении пленочных растворов на пористых поверхностях.
Кальцитовые пленки могут образовываться и на поверхности воды подземных озер.
В случае фильтрации вод через толщи, содержащие рудные залежи или рассеянную минерализацию, из них может осаждаться не только кальцит, но и другие минеральные соединения – см. рис. В некоторых пещерах Средней Азии обнаружена промышленная урановая минерализация. Некоторую роль при образовании минералов в глубоких пещерах могут играть также минерализованные гидротермальные растворы.
Наряду с хемогенными образованиями, для многих пещер характерны и биохемогенные накопления. Значительные объёмы органогенного материала в пещерах представлены помётом летучих мышей – гуано. Гуано, реагируя с глиной, образует фосфаты алюминия.
В пещерах присутствуют также гравитационные обвальные накопления – продукты обрушения сводов пещер. В сводах крупных галерей можно наблюдать купола обрушения, под которыми расположены высокие конусы из обломков.
Обвалы часты близ входов пещер, последние часто загромождены обломками. Причиной тому интенсивное температурное и морозное выветривание при сезонной или суточной смене положительных и отрицательных температур. Обвальный процесс в зоне морозного выветривания особенно интенсивен, при этом большинство обвалов здесь происходит, когда промерзшие породы оттаивают и более активны инфильтрационные процессы.
Суффозия
С карстовыми процессами нередко тесно связаны процессы суффозии, образуя карстово-суффузионные явления. Суффозия (от лат. suffosio – подкапывание, подмывание) – механический вынос тонких частиц водой, фильтрующейся в толще горных пород. Фильтрующаяся вода осуществляет работу двоякого рода: с одной стороны, она выщелачивает и уносит растворимые соли, с другой – производит механический вынос мельчайших частиц породы. В результате происходит разрыхление пород, образование подземных пустот, приводящих к обрушению и просадке сводов. Так в области развития лёссов на поверхности Земли наблюдаются формы, аналогичные типичным карстовым формам – воронки, замкнутые западины и т.п.
Изучение карстовых и карстово-суффузионных явлений имеет большое практическое значение.
С некоторыми карстовыми полостями связаны месторождения рудных полезных ископаемых. Источником рудных компонентов могут выступать как нерастворимые компоненты карстующегося массива (терра-росса на дне карстовых полостей), так и привнесённые в карстовые полости осадки с других рудных объектов. С карстовыми полостями связаны некоторые месторождения фосфоритов (карстовые фосфориты полуострова Флорида в США содержат до 35-40% P2O5), никелевых руд (на Урале такие руды одержат 1,5-2,5% Ni), бокситов, железа, марганца, ртути, сурьмы и пр.; отмечаются россыпи золота, касситерита, алмазов и другие полезные ископаемые.
Без учёта характера протекания этих явлений невозможно проектирование и возведение зданий, сооружений и транспортных путей. Кроме того, с некоторыми пещерами связаны залежи полезных ископаемых, из обводнённых пещер добывают воду. Холодные пещеры-ледники служат в качестве природных «холодильников» и снабжения льдом. Для некоторых районов весьма существенной статьей доходов служит спелеотуризм – подземные залы со сталактитами, сталагмитами и другими натёчными формами очень живописны, в некоторых крупных карстовых пещерах оборудованы даже концертные залы. Особенности глубоких пещер – постоянство температуры и влажности, содержание в воздухе ионов, отсутствие аллергенов и пр. – используются в лечебных и бальнеологических целях.
Карст
Под термином «карст» подразумевается ландшафт, сформированный вследствие растворения пород. Ландшафтная структура подразумевает наличие небольших и крупных пустот, нередко заполненных водой. Образуется карстовый рельеф в течение длительного геологического периода. В результате появляются уникальные поверхностные и подземные структуры. Описываемые ландшафты занимают примерно 10% поверхности планеты.
Виды карста
По минеральному составу выделяют:
По периоду формирования:
По глубине нахождения растворяющихся пород и подземных вод:
По присутствию покровной массы:
Карстовые формы
Процессы развития карста наиболее ярко проявлены в образовании различных карстовых форм, среди которых в первую очередь выделяют поверхностные и подземные формы.
Поверхностные формы представлены бороздами – каррами, а также различным замкнутыми углублениями: воронками, ваннами, котловинами, польями, слепыми (замкнутыми в нижнем конце) долинами и балками, а также естественными колодцами и шахтами.
Карры являются микроформами карстового рельефа и представляют собой рытвины и борозды, глубиной от нескольких см до 1-2 м. Борозды и разделяющие их гребни либо протягиваются почти параллельно друг другу, совпадая с направлением уклона рельефа или падения слоёв горных пород, либо располагаются хаотично, ветвятся и сливаются друг с другом. Образование карров связано с воздействием атмосферных осадков и талых снеговых вод, основную роль при этом играет выщелачивание, лишь на крутых склонах проявляется также и эрозия стекающими водными струями. Карры иногда покрывают обширные площади, образуя карровые поля.
Наиболее распространённой карстовой формой являются воронки. Они имеют разнообразную форму (конические, котлообразные, блюдцеобразные либо в виде ям неправильной формы) и размеры (диаметр от 1 до 200 м и глубину от 0,5 до 50 м). На дне воронок и других понижений встречаются поноры – вертикальные или наклонные глубокие отверстия щеле- или колодцеобразной формы, поглощающие поверхностные воды и отводящие их в глубину карстового массива. По происхождению воронки разделяются на воронки поверхностного выщелачивания, образующиеся за счёт выноса в растворённом состоянии выщелоченной на поверхности породы через поноры или трещины; и провальные воронки, образующиеся за счёт обвалов сводов подземных карстовых полостей.
За счёт слияния нескольких воронок образуются более крупные карстовые формы – котловины. Ещё более масштабными поверхностными карстовыми формами являются полья – обширные, иногда громадные формы (до сотен км
) с плоским дном и крутыми склонами, образующиеся за счёт слияния котловин. Глубина польев может достигать уровня грунтовых вод, из-за чего на их дне образуются временные или постоянные водоёмы, карстовые озёра (нередко полья частично подтапливаются только во влажный сезон, превращаясь во временные озёра.
В тропиках часто встречаются и положительные карстовые формы рельефа: башни, конусы, купола и т.п.
Карстовые колодцы и шахты являются переходными от поверхностных к подземным формам — это вертикальные или крутонаклонные полости, различающиеся между собой по глубине. К шахтам относятся полости глубже 20 м, и достигающие иногда сотен метров. Полости колодцев и шахт могут быть обязаны своим возникновением гравитационным (провальными) процессам, либо выщелачиванию водой карстующейся породы; нередко эти процессы сочетаются.
Типичными подземными формами являются карстовые пещеры. Обычно они имеют причудливые очертания, что обусловлено сложностью систем трещин (определяющих направление фильтрации растворяющих вод), их пересечением и неоднородностью состава карстующихся пород. Наиболее крупные карстовые пещеры возникают в зоне полного насыщения при заполнении трещинных зон напорными подземными водами.
Карстовые отложения
К карстовым отложениям относятся разнообразные по составу и генезису породы, объединяемые лишь общностью приуроченности к карстовым полостям.
Пещерные отложения в зависимости от происхождения можно подразделить на остаточные, гидрохемогенные, гидромеханические, гравитационные, биогенные и биохеогенные, антропогенные образования
Остаточные отложения формируются за счет накопления и переотложения нерастворимого остатка карстующихся пород. Характерными отложениями является терра-росса (от итал. terra rossa – красная земля) – красноцветные глинистые отложения, обогащённые гидроокислами алюминия и железа, представляющие собой нерастворимый остаток известняков. Терра-росса встречается как на дне карстовых воронок, так и в пещерах.
Гидромеханические (водные механические, инфлювиальные) отложения связаны с приносом водой в карстовые полости и трещины карстового массива твёрдых частиц. Для группы таких отложений, выполняющих трещины, иногда применяется специальный термин «кольматолиты» (от colmatage – вмывание). Представлены такие образования преимущественно скоплениями вязкой глины.
В некоторых пещерах накапливаются осадки, связанные с деятельность подземных рек. При этом значительная часть отлагаемого ими материала может быть связана в привносом частиц водным потоком из-за пределов собственно карстовых полостей. Из общего комплекса карстовых отложений они выделяются, если скорость движения потока достаточна высока, чтобы придать отложениями характерные структурно-текстурные особенности. Невысокие скорости движения подземных вод приводят к формированию глинистых отложений.
Отложения подземных озёр представлены различными осадками, источниками которых являются продукты выветривания коренных пород, минералы, кристаллизующиеся из озерной воды, а также материал, занесенный водными потоками (в том числе и подземными реками).
Гидрохемогенные (или водные химические) отложения — различные натечные образования, формирующиеся за счёт процессов химического осаждения вещества из водных растворов.
Особенно широкое развитие в пещерах имеют карбонатные натёчные образования. Воды, просачивающиеся по трещинам в карбонатных породах, обычно содержит много углекислого газа, что значительно увеличивает их растворяющую способность. Растворяя по пути своего движения известняки, вода насыщается кальцием в виде бикарбоната:
Когда насыщенная бикарбонатом кальция вода просачивается с потолка или стенок пещеры, она теряет часть углекислого газа; в результате нарушения равновесия реакция сдвигается влево. Бикарбонат переходит в карбонат кальция (СаСО3), который частично выпадает в осадок ещё в момент, когда вода находится на потолке пещеры:
Так из капель, просачивающихся с потолка пещеры, нарастают вниз натёчные образования, называемые сталактитами, а из капель, падающих на пол пещеры, образуются сталагмиты. Вода, стекающая по стенам пещер, образует кальцитовые драпировки, а при слиянии линейно расположенных сталактитов возникают занавеси.
Корочки кальцита часто образуются при испарении пленочных растворов на пористых поверхностях.
Кальцитовые пленки могут образовываться и на поверхности воды подземных озер.
В случае фильтрации вод через толщи, содержащие рудные залежи или рассеянную минерализацию, из них может осаждаться не только кальцит, но и другие минеральные соединения – см. рис. В некоторых пещерах Средней Азии обнаружена промышленная урановая минерализация. Некоторую роль при образовании минералов в глубоких пещерах могут играть также минерализованные гидротермальные растворы.
Наряду с хемогенными образованиями, для многих пещер характерны и биохемогенные накопления. Значительные объёмы органогенного материала в пещерах представлены помётом летучих мышей – гуано. Гуано, реагируя с глиной, образует фосфаты алюминия.
В пещерах присутствуют также гравитационные обвальные накопления – продукты обрушения сводов пещер. В сводах крупных галерей можно наблюдать купола обрушения, под которыми расположены высокие конусы из обломков.
Обвалы часты близ входов пещер, последние часто загромождены обломками. Причиной тому интенсивное температурное и морозное выветривание при сезонной или суточной смене положительных и отрицательных температур. Обвальный процесс в зоне морозного выветривания особенно интенсивен, при этом большинство обвалов здесь происходит, когда промерзшие породы оттаивают и более активны инфильтрационные процессы.
Внешнее проявление
Карст меняет рельеф поверхности земли и ее недр. В недрах земли карст образует пещеры, полости и ходы.
На поверхности процесс проявляется следующим образом:
В тропиках карст образует останцы — небольшие возвышенности, которые остаются после разрушения более высокого массива.
Особенности карстовой местности
В районах развития карста практически отсутствуют поверхностные водотоки: вода в такой местности уходит под землю. В карстовой местности образуются:
Существует псевдокарст — явление, внешне напоминающее карст. Возникает он в мерзлых водах, во льду, пористых и мелкообломочных грунтах. Основное отличие псевдокарста в том, что он развивается в результате таяния льда, механического воздействия воды и других подобных явлений.
В карстовой местности трудно добывать полезные ископаемые. которые находятся на уровне или ниже карстующихся пород. Связано это с тем, что воды затопляют горные выработки.Например, так происходит на Урале в Кизеловском месторождении угля. Соляной карст мешает добывать каменные и калийные соли. Поэтому при добыче полезных ископаемых в карстовой местности особое внимание уделяют водному режиму работ и способу разработки месторождений.
Однако через толщи карста удобно создавать дренажную систему. Породы хорошо отдают воду, поэтому через них можно осушать месторождения.
Иногда полезные ископаемые накапливаются в карстовых полостях. Так образуются месторождения бокситов, свинцово-цинковые и железных руд, нефти, фосфоритов. Самые известные месторождения находятся на территории США, России, КНР, Мексики и Югославии.
Кроме добычи полезных ископаемых, в карстовой местности трудно организовать жилищное и транспортное строительство. Возникают сложности в постройке ГЭС, водохранилищ и других промышленных объектов.