Геологическая характеристика района расположения шахты "Анжерская". Физико-механические свойства углей. Анализ путей защиты гидросферы на закрытых шахтах. Условия и характер сброса дренажных вод. Расчет фильтрующей дамбы для условий г. Анжеро-Судженска.
С северо-востока угленосные отложения, слагающие этот район, ограничиваются Кузнецким Алатау, с северо-запада - Томско-Колыванской складчатой дугой по Томскому надвигу. Расположенная к северу от железной дороги часть имеет слабо холмистую поверхность, общий уклон которой направлен к северо-востоку в сторону р. Алчедатская толща мощностью до 450 м имеет ограниченное распространение и представлена обычным песчано-глинистым комплексом пород с невыдержанными прослоями углистых пород и углей. Помимо складчатости, замковая часть Анжерской синклинали поражена дизъюнктивами, которые характеризуются следующими особенностями: продольные взбросы, описанные в пределах восточного крыла синклинали следуя повороту Томского надвига, изменяют свое простирание и становятся поперечными по отношению к наслоению. Дизъюнктив Р1, расположенный в 600 м севернее дизъюнктива Р, прослежен горными работами на протяжении 1,8 км по всем пластам Центральной толщи, Дизъюнктив Р2, расположенный в 500-600 м севернее дизъюнктива Р1, встречен по пластам Десятому и Андреевскому и прослежен на протяжении 1,2 км.Цель работы обоснование мер защиты гидросферы на поле ликвидированной шахты «Анжерская», достигнута анализом путей защиты гидросферы на закрытых шахтах.
Введение
Современная практика очистки шахтных вод базируется в основном на химических методах, что приводит к их вторичному загрязнению и требует больших экономических затрат. Поэтому в настоящее время большое внимание уделяется поискам более эффективных и экономичных решений, обеспечивающих высокие результаты по очистке шахтных вод при минимальных затратах. Прогрессивным способом очистки шахтных вод является фильтрование через дамбы.
Актуальность настоящей работы обусловлена возможностью получения удовлетворительной степени очистки дренажных вод, отводящихся из зоны подтопления на территории закрытой шахты «Анжерская» в г. Анжеро-Судженске Кемеровской области.
Основная задача дипломного проекта - обоснование и расчет инженерных сооружений для очистки дренажных вод.
1. Физико-географическая и геологическая характеристики района север Кузбасса
1.1 Общая характеристика района расположения шахты «Анжерская»
Анжеро-Судженский район расположен на северо-востоке Кузнецкого бассейна и по административному делению относится к Яйскому району Кемеровской области. С северо-востока угленосные отложения, слагающие этот район, ограничиваются Кузнецким Алатау, с северо-запада - Томско-Колыванской складчатой дугой по Томскому надвигу. На юге границы проводятся условно.
На территории района расположен г. Анжеро-Судженск, в пределах которого находится станция Транссибирской железной дороги.
В южной части района действуют два шахтоуправления: «Физкультурник» и «Сибирское», остальные угольные предприятия ликвидированы. Кроме угольной отрасли промышленности, в городе действуют заводы горного оборудования, вагоноремонтный, стекольный и химико-фармацевтический.
Каменные угли в Анжерском районе известны с 80-ых годов XIX столетия. Промышленное их освоение началось с постройки Сибирской железной дороги. В 1896 г. Под руководством П.К.Яворовского впервые проведены поисково-разведочные работы на уголь. В 1897 г. Построена первая шахта «Надежда» в дер. Щербиновке. В конце XIX в. открыты Судженские и Анжерские копи.
Рельеф местности. Сибирская железная дорога разрезает Анжеро-Судженский район на две части - северную и южную, отличающиеся между собой как по рельефу, так и по степени населенности. Расположенная к северу от железной дороги часть имеет слабо холмистую поверхность, общий уклон которой направлен к северо-востоку в сторону р. Мазаловский Китат. Эта река со своим правым притоком - р. Алчедатом и является единственной водной артерией северной части района. Приток р. Алчедата - р. Анжера представляет небольшую водотечь, берущую свое начало на юго-западе северной части района. Слабо развитая речная сеть обуславливает ровный характер поверхности, изредка рассеченной, особенно на севере, довольно глубокими логами.
Южная часть района орошается р. Яя и ее левыми притоками, из которых отметим, двигаясь с запада на восток рр. Каменушку, Козлы, Челы и Турат. Все эти притоки являются небольшими ручьями, протекающими в широких заболоченных долинах. Сама р. Яя представляет уже значительно более мощную водную артерию и в настоящий момент снабжает водой весь промышленный цент района через Яйский водопровод. Характер местности здесь более рассеченный, чем в северной части, благодаря сильнее развитой гидрографической сети.
Сибирская железная дорога прошла по водоразделу между системами рр. Яя и Мазаловский Китат, где она падает до 152м. На юге отметки русла р. Яя колеблются от 174 м до 143 м. Средняя отметка поверхности северной части района может быть принята около 210-220 м, а южной части - 230-240 м.
Климат. Кузнецкий бассейн располагается в умеренном (суббореальном) поясе северного полушария и характеризуется континентальным климатом с частыми и резкими колебаниями температур воздуха, количества осадков, интенсивности солнечной радиации и других климатических и погодных факторов. Северная и северо-восточная части бассейна характеризуются умеренно прохладным, увлажненным климатом. Средняя годовая температура воздуха составляет от -0.50 до -0.90 С, количество атмосферных осадков - от 400 до 550 мм/год. На поверхностный и подземный сток уходит 300-320мм. Распространены горно-таежные глубоко оподзоленные и серые лесные почвы, промерзающие в зимний период на глубину более 1 м. После весеннего снеготаяния запасы воды в метровом слое составляют 200-250 мм.
1.2 Геологическая характеристика района расположения шахты «Анжерская»
Стратиграфия
В геолого-структурном отношении район представляет собой сложно построенную синклиналь, отделенную от основной части Кузбасса Невской антиклиналью, развитой по отложениям девона и нижнего карбона. На западе угленосные отложения срезаны и перекрыты мощным тектоническим покровом девонских отложений (Томский надвиг). Северная граница распространения угленосных отложений не установлена, и граница района условно проводится по р. Соболинке. Угленосные отложения мощностью около 1500 м представлены нижней частью Балахонской серии, преимущественно Острогской и Нижнебалахонской подсериями. Они сложены типичным для угленосного карбона переслаиванием песчаников (иногда с прослоями гравелитов), алевролитов разной крупности, углистых аргиллитов и пластов углей. Наряду с унифицированной в районе применяется местная стратиграфическая схема, основанная на различиях в характере и степени угленосности. В соответствии с этой схемой продуктивные отложения Нижнее- и Верхнебалахонской подсерий разделяются на три толщи (снизу вверх): Челинскую, Центральную и Алчедатскую.
Челинская толща, охватывающая нижний малопродуктивный интервал мощностью около 480 м, сложена частым переслаиванием мелкозернистых песчаников (с редкими прослоями гравелитов, конгломератов), алевролитов, аргиллитов, углистых аргиллитов и тонких слоев угля.
Центральная толща, выделяющаяся от почвы пласта «Коксового» до кровли пласта «Наддесятого», является в промышленном отношении наиболее ценной, ее угленосность составляет 11%. Поэтому все шахты Анжерского района оказались заложенными на угли Центральной толщи. В состав данной толщи входят от 5 до 8 рабочих пластов. Представлена мелкозернистыми песчаниками и аргиллитами с подчиненным участием алевролитов, углистых аргиллитов и углей. Для данной толщи характерна значительная латеральная изменчивость. С северо-запада на юго-восток увеличивается ее мощность (от 120 до 180м), снижается угленосность и возрастает роль песчаников.
Алчедатская толща мощностью до 450 м имеет ограниченное распространение и представлена обычным песчано-глинистым комплексом пород с невыдержанными прослоями углистых пород и углей. Породы палеозоя повсеместно перекрываются рыхлыми меловыми и неоген-четвертичными отложениями общей мощностью от 5-10 м в долинах до 30-40 м - на водоразделах. Меловые отложения из белых и пестроцветных глин и песков уцелели от эрозии лишь в виде маломощных реликтовых покровов на водоразделах. Неогеновые, преимущественно глинистые осадки, имеют локальное распространение в погребенных депрессиях. Почти повсеместно развитые четвертичные отложения представлены в основном покровными суглинками и песчано-гравийным аллювием.
Тектоническое строение
Тектоническое строение угленосного комплекса сложно и неоднородно. Это обусловлено положением района на сопряжении каледонид Кузнецкого Алатау с позднегерцинской Колывань-Томской складчатой зоной. Юго-восточная часть района тяготеет к Приалатауской зоне моноклиналей и пологих складок, северо-западная - к сложноскладчатой Приколывань-Томской зоне бассейна.
Угленосный комплекс заполняет крупную, сложно построенную Анжеро-Суджевскую синклиналь с погружающимся в северо-западном направлении шарниром, срезанную Томским надвигом. Вследствие ундуляции шарнира Анжеро-Судженская синклиналь подразделяется на три брахискладки: Анжкрскую, Андреевскую и Козлинскую. Первые две разделяются пологим, сложно построенным антиклинальным поднятием. Козлинская синклиналь отделяется от Андреевской крупным Терентьевским надвигом. Все названные складки пологие, с широкими волнистыми придонными частями. В поперечном разрезе они ассиметричны: западные крылья крутые (50-70), восточные, как правило, более пологие (20-30). Лишь восточное крыло Анжерской синклинали на севере закручивается до отвесного, местами опрокинутого залегания. Максимальная глубина погружения Центральной толщи в Анжерской синклинали достигает 1000м, в Андреевской и Козлинской не превышает 500м.
Широко развита дополнительная складчатость и дизъюнктивные нарушения различных амплитуд. Два крупнейших надвига - Томский и Терентьевский - прослеживаются через весь район и за его пределы. Томский надвиг имеет значительную (не менее 3 км) полоса распространения стратиграфическую амплитуду и волнистый пологозалегающий смеситель. В связи с этим под тектоническим покровом пород девона погребена довольно широкая (не менее 3км) полоса распространения угленосных отложений.
С формированием Томского надвига и последующими тектоническими дислокациями связана сложная дополнительная складчатость, а так же многочисленные и разнообразные по форме и амплитуде разрывные нарушения.
Как западное, так и восточное крылья синклинали осложнены дополнительной складчатостью и дизъюнктивами. Подавляющее большинство дизъюнктивов представляет собой согласные взбросы с амплитудой до 200 м. Западное крыло Анжерской синклинали почти полностью срезано Томским надвигом, который пересекает это крыло вблизи замка складки примерно под прямым углом. Далее на северо-восток Томский надвиг, изгибаясь в замке складки, изменяет свое простирание с широтного на субмеридиональное, вследствие чего он становится на восточном крыле продольным дизъюнктивом. Здесь он постоянно срезает под острым углом до выхода под наносы вначале пласты Алчедатской, а затем Центральной и Челинской толщ продуктивных отложений района. Поэтому восточное крыло синклинали прослеживается далеко на северо-запад, примерно на 25 км от г. Анжеро-Суданска.
Дизъюнктивы в поперечно-вертикальных сечениях, так же как и в плане, пересекают отложения и пласты угля под острыми углами. Все они относятся к типу взбросов с вертикальной амплитудой смещения от нескольких десятков метров до 150-200 м. Таких дизъюнктивов на описываемом крыле складки насчитывается семнадцать - 13, 12, 11, 11а, 10, 9, 8, 8а, (-), 7, 6, V, IV. III, IIIA, II, I. Среди относительно крупных дизъюнктивов на восточном крыле Анжерской синклинали встречается только одна система параллельных друг другу продольных взбросов с падением на запад, что подчеркивает ведущее значение для тектонической структуры Анжеро-Судженского района движение масс со стороны Томско-Колыванской складчатой зоны.
Замковая часть Анжерской синклинали характеризуется исключительно сложным строением. По мере приближения к замковой части синклинали со стороны ее восточного крыла появляются довольно крупные складки - Восточные антиклиналь и синклиналь.
Эти складки расположены восточнее центральной синклинали. Они имеют симметричное строение и меридиональное простирание. Развиваясь в южном направлении, одна из этих складок, в конце концов, становится основной складкой и переходит в Анжерскую синклиналь. Эти складки являются замечательными тем, что на всем своем протяжении находятся в постоянной связи с крупным продольным дизъюнктивом V, который, по-видимому, образовался до появления этих складок и в процессе их формирования приобрел складчатые очертания. Поверхность дизъюнктива V плавно перегибается в замках складок, пересекая и сдваивая пласты нижней пачки. На всем своем продвижении оси описываемых складок располагается горизонтально и только к выходам под наносы выкручиваются до 15-20 и погружаются на северо-запад.
Помимо складчатости, замковая часть Анжерской синклинали поражена дизъюнктивами, которые характеризуются следующими особенностями: продольные взбросы, описанные в пределах восточного крыла синклинали следуя повороту Томского надвига, изменяют свое простирание и становятся поперечными по отношению к наслоению.
Установлен ряд подобных дизъюнктивов с определенным закономерным пространственным расположением. Хорошо изученыо пять поперечных сдвигов - Р, Р1, Р2, Р3, Ра. Дизъюнктив Р1 пересекает в широтном направлении все складки, а так же и продольные дизъюнктивы и перемещает их с запада на восток от 5 до 20 м. Дизъюнктив Р1, расположенный в 600 м севернее дизъюнктива Р, прослежен горными работами на протяжении 1,8 км по всем пластам Центральной толщи, Дизъюнктив Р2, расположенный в 500-600 м севернее дизъюнктива Р1, встречен по пластам Десятому и Андреевскому и прослежен на протяжении 1,2 км. Дизъюнктив Ра установлен на горизонте - 13 м в 700 м к югу от дизъюнктива Р и изучен по пласту Петровскому на протяжении 300м. Характерными особенностями этих дизъюнктивовтипа поперечных сдвигов являются широтное простирание плоскостей сместителей, крутое их залегание под углом 60-85 с падением на север, горизонтальная, реже диагональная, штриховка на плоскостях сместителей и невыдерженная амплитуда смещения - от 25 до 2 м. Очевидно, эти сдвиги являются более поздними образованиями по сравнению с продольными взбросами и дополнительной складчатостью, так как они пересекают их и перемещают. Для поперечных дизъюнктивов, поражающих замковую часть Анжерской синклинали, так же как и для продольных - развитых на восточном ее крыле, характерным является примерно равные расстояния между соседними дизъюнктивами. Можно, в первом приближении, говорить о шаге или же о частоте в расположении этих дизъюнктивов, которые равны в среднем 600-700 м.
Западное крыло Анжерской синклинали почти полностью срезано Томским надвигом. Пересекая это крыло почти под прямым углом, Томский надвиг естественно вызвал на участке обреза пластов сложную тектоническую обстановку. Здесь образовалась антиклинальная складка, осевая линия которой перпендикулярна господствующему простиранию крыла.
Дизъюнктивная структура западного крыла коренным образом отличается от восточного. Здесь совершенно отсутствуют крупные продольные дизъюнктивы.
Физико-механические свойства углей и вмещающих пород
Породы угленосной толщи представлены песчаниками, алевролитами и аргеллитами, обладающими значительной крепостью и относительной устойчивостью в горных выработках. Крепость и устойчивость пород резко уменьшаются в зоне выветривания, которая распространяется местами до глубины 40-45 м, иногда до 80 м, а так же в зонах интенсивной тектонической нарушенности. Непосредственная почва и кровля пластов угля обычно сложены в разной степени трещиноватыми слоями алевролитов и песчаников мощностью 2-3 м, выше и ниже которых следуют более мощные и менее трещиноватые слои песчаников или алевритоглинистых пород. На отдельных участках появляется ложная почва или кровля мощностью 0,1-0,3 м, сложенные обычно углистыми аргиллитами и алевролитами, редко песчаниками. Пласты «Коксовый», «Тонкий», «Петровский» и «Андреевский» сложены крепкими углями и дают при добыче значительный процент крупных классов. Пласты «Случайный», «Двойной» и «Десятый» содержат пачки мятых углей и при добыче выдаются преимущественно в виде мелочи.
Морфология и условия залегания угольных пластов
Общее количество пластов и прослоев углей достигает 46, их общая мощность около 40 м. Примерно 24 пласта с общей мощностью около 29,7 м на значительных площадях кондиционированы.
Пласты средней мощности в основном простого строения, на небольших участках - сложного; тонкие пласты обычно состоят из одной пачки. Породные прослои в углях, кровля и почва пластов представлена чаще всего алевролитом, реже аргиллитом, углистыми породами и песчаниками.
Главное промышленное строение имеет Центральная толща, включающая до восьми рабочих пластов. На севере района, в Анжерской синклинали в нижних горизонтах центральной толщи залегают четыре сближенных рабочих пласта («Коксовый», «Случайный», «Тонкий» и «Петровский»)., а в верхней части разреза - пласты «Андреевский» и «Десятый». В южной части района угленосность снижается, вследствие утонения пластов «Десятого», «Двойного», и «Случайного» и выклинивания на Козлинском месторождении пластов «Петровского» и «Тонкого».
В пластах угля наблюдаются локальные размывы, а так же раздувы, пережимы и выклинивания как сингенетической, так и постседиментационной, в основном тектонической природы. Пласты Алчедатской толщи характеризуются невыдержанными мощностями и строением изза непостоянства условий накопления и интенсивной тектонической нарушенности. В связи с этим «алчедатские» пласты разрабатывались лишь локально, преимущественно в Козлинском месторождении.
Пласты Челинской толщи тонкие, отдельные из них, (преимущественно «Румянцевский» и «Надконгломератовый») на значительных участках приобретают промышленное значение.
Качество углей. В мацеральном составе углей большинства пластов преобладает витринит, содержавшийся обычно в количестве от 40 до 50%. Группы семивитринита и инертинита присутствуют обычно в количествах от 20 до 30%. В некоторых пластах Центральной и Челинской толщ («Петровском», «Неназванном», «Румянцевском») содержание инертинита достигает 50-60%.
Степень метаморфизма углей увеличивается в стратиграфическом разрезе от вышележащих пластов к нижележащим, в плане с юго-востока на северо-запад, а так же по падению пластов в современных складчатых структурах.
В соответствии с изменением степени метаморфизма и петрографическими особенностями марочный состав углей изменяется от коксовых отощенных, коксовых слабоспекающихся и отощенных спекающихся в Козлинской, Андреевской и верхних горизонтах Анжерской синклиналей до слабоспекающихся, тощих спекающихся и тощих на севере района и в глубоких горизонтах Анжерской синклинали. Угли используются в коксохимическом производстве и в качестве энергетического топлива.
1.3 Гидрогеологическая и инженерно-геологическая характеристики района расположения шахты «Анжерская»
Гидрогеологические условия
Подземные воды угленосного комплекса относятся к пластово-трещинному типу. Повышенная водообильность с удельными дебитами от сотых долей до 1,2 л/с наблюдается до глубины 100-150 м. Максимум водообильности приходится на весну и осень, когда выпадает наибольшее количество осадков. С глубиной водообильность уменьшается, и во многих шахтах гидрогеологические условия разработки сравнительно несложные. По шахтоуправлениям «Физкультурник» и «Сибирское» среднегодовые притоки колеблются от 100 до 300 м3/час. В южной части поля шахтоуправления «Сибирское» среднегодовые притоки повышенные: от 400 до 700 м3/час. Высокой, но обычно кратковременной обводненностью отличаются зоны дробления крупных разрывных нарушений. Химический состав вод гидрокарбонатно-кальциевый с повышенным содержанием сульфатиона.
Данные гидродинамического мониторинга свидетельствуют о существенных расхождениях расчетной (прогнозируемой) и фактической скоростей подъема уровня воды в шахтах. Более низкие значения фактической скорости затопления по сравнению с расчетной, наблюдаемые в большинстве (примерно 2/3) ликвидируемых шахт, означают что техногенная пустотность их горного массива оказалась выше расчетной. Вместе с тем на 6 шахтах («Анжерская», «Судженская», «Бирюлинская», «Северная», «Ягуновская» и «Лапичевская») фактические темпы затопления в 1,5-3 раза выше проектных.
Газоносность
Газоносность угленосной толщи довольно высокая. Верхняя граница метановой зоны проходит на глубинах от 100 до 300 м в Анжерской синклинали и до 180-200 м - в Андреевской и Козлинской синклиналях. Наиболее газообильными (сверхкатегорийными) были шахты «Судженская и «Анжерская» и действующее шахтоуправление «Сибирское». Шахтоуправление «Физкультурник» относится ко II категории газообильности.
В шахтоуправлении «Физкультурник» максимальная газообильность на горизонте - 37 м абс. Достигает 10 м3/т.с.д. В связи с умеренной метанообильностью поддержание требуемого атмосферного режима горных выработок в этих предприятиях осуществляется только вентиляцией. На шахтах «Анжерская» и «Судженская» с глубины 420 м применялась предварительная дегазация скважинами с поверхности и из горных выработок. Общие ресурсы метана, сорбированного угольными пластами в Анжерском районе, оцениваются в 34 млрд. м3.
Из газодинамических явлений в шахтах Анжеро-Судженского района известны внезапные обрушения с попутным газовыделением при проведении восстающих выработок, внезапные выбросы угля и газа и взрывы метана. Наименьшая критическая глубинапроявления внезапных выбросов по пласту «Румянцевский» на участке «Козлинском Южном» прогнозируется в 500 м, критическая глубина удароопасности в забоях очистных выработок составляет 150 м от поверхности.
Угли опасны по взрыву угольной пыли и склонны к самовозгаранию, что подтверждается случаями самовозгарания углей в горных выработках шахт «Анжерская» и «Судженская», а так же при хранении в отвалах.
Вывод
Цель работы обоснование мер защиты гидросферы на поле ликвидированной шахты «Анжерская», достигнута анализом путей защиты гидросферы на закрытых шахтах.
В работе решены следующие задачи: - выбраны штаммы микроорганизмов для очистки шахтных вод, проведена их идентификация и проверка эффективности в лабораторных условиях;
- проведен анализ способов очистки шахтных вод с использованием фильтрующих дамб;
- проанализированы все действующие 13 дренажей и решено фильтрующую дамбу разместить на выпуске № 4 для защиты озера Кошевка.
Практическое использование предлагаемого места размещения фильтрующей дамбы для защиты озера Кошевка, позволит защитить экосистему в Анжеро-Судженском районе.
Список литературы
1. Угольная база России. Том II. Угольные бассейны и месторождения Западной Сибири (Кузнецкий, Горловский, Западно-Сибирский бассейны; месторождения Алтайского края и Республики Алтай). - М.: ООО «Геоинформцентр», 2003.-604 с., ил. (библиогр. С 586-596). ISBN 5-900357-88-0, ISBN 5-900357-15-5.
2. Геология СССР. Том XVI. Кузнецкий бассейн. М.-Л.: Государственное издательство геологической литературы, 1940.
3. Экологические проблемы угледобывающих районов при закрытии шахт / науч. ред. Г.И. Грицко, Е.Л. Счастливцев, В.И. Овденко. - Кемерово: Азия, 2001.-239 с.-300 экз.- ISBN 5-85119-012-4.
4. Отчет о проделанной работе Кузбасским Центром мониторинга производственной и экологической безопасности за IV квартал 2008 года и 2008 год, г. Кемерово.
5. Головко И.В. Оценка уровня экологического состояния на территориях ликвидируемых шахт на основе анализа экологических рисков //ГИАБ, 2006, №9, с. 175-178.
6. Батугин А.С., Климанова В.Г. Затопление ликвидируемых шахт как возможная причина техногенных землетрясений в горнопромышленных районах //ГИАБ, 2002, № 2, с.181-184.
7. Батугин А.С., Головко И.В. Оценка геодинамического риска при ликвидации шахт / Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках. Материалы XXI Международной научной школы им. академика С.А. Христиановича. Крым, Алушта, 21-27 сентября 2009 г. - Симферополь: Таврич. нац. ун-т. - 2009. - с. 37-39.
8. Головко И.В. К оценке вероятности редких геодинамических событий при затоплении шахт / Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках. Материалы XXI Международной научной школы им. академика С.А. Христиановича. Крым, Алушта, 21-27 сентября 2009 г. - Симферополь: Таврич. нац. ун-т. - 2009.
9. Хоружая Т.А. Оценка экологической опасности. - М., 2002.
10. Алымов В.Т., Тарасова Н.П. Техногенный риск. Анализ и оценка. - М.: ИКЦ «Академкнига», 2007.
11.Белов В.И. Рудничный водоотлив. - Сталино, 1927. с. 20-23, 39-369.
