Техногенные процессы на объектах горного производства

По мере роста промышленности возрастает потребность в добыче минерального сырья. Для добычи потребного количества черных и цветных металлов в 30 млрд т необходимо извлечь 150 млрд т руды и переместить около.

450 млрд т породы. А на долю предприятий топливно-энергетического комплекса России, при использовании нефти, газа, угля, горючих сланцев, торфа и урана, приходится 50% вредных выбросов в воздушный бассейн от суммарного их объема, до 35% объема сточных вод и около 30% твердых отходов.

Такие темпы роста и масштабы добычи поражают и пугают своими последствиями для экологии биосферы. Вместе с тем, как математически доказал лауреат Нобелевской премии Илья Пригожин (Пригожим И. Р. Философия нестабильности // Вопросы философии. 1991. № 6. С. 46—57), у природы есть своя «свобода выбора», которая проявляется в точке бифуркации (точка «раздвоения» траектории жизни системы, в которой нельзя точно спрогнозировать, какую именно траекторию она выберет в ближайшем будущем), и поэтому у сложных природных систем будущее столь же непредсказуемо, как и у систем исторических, общественных. А так как свобода выбора связана с творчеством, то можно сказать, что природа в состоянии творить.

Согласно второму закону термодинамики, предоставленная самой себе замкнутая термодинамическая система (например, геологическая среда, нарушенная горными работами) будет стремиться от порядка и устойчивости к хаосу и разрушению, причем процесс этот необратим, направлен «по стреле времени», и система беспрестанно эволюционирует от порядка к хаосу с ростом беспорядка (энтропии). Но для открытых нелинейных систем (изучаемых наукой синергетикой) этот закон теряет свою силу, и локализованные, быстро развивающиеся новые структуры («острова устойчивости») как раз и существуют за счет возрастающей хаотизации среды и развития в ней энтропии. Именно так из простого возникает сложное, что доказывает биологическая, социальная эволюция, а также эволюция минералов. Таким образом, естественное стремление системы к хаосу вовсе нс ведет к утрате гармонии. И. Р. Пригожину удалось доказать, что хаос может быть конструктивен — он порождает новый порядок, и среда, распадаясь на дискретные структуры, самоорганизуется и останавливает разрушительное действие диффузионных процессов. При этом существует некая предопределенность, несущая своеобразные правила запрета и ограничения на способы существования природных объектов.

Отсюда следует вывод: человек, зная механизмы самоорганизации геологической среды, нарушенной горными работами, может сознательно ввести в среду соответствующую флюктуацию (случайное отклонение от среднего значения), т. е. «уколоть» среду в нужных местах и тем самым направить се движение в нужную сторону. Но направить, опять же, не куда угодно, а в соответствии с потенциальными возможностями самой среды. Итак, свобода выбора у природных объектов есть, но сам выбор ограничен возможностями объекта, поскольку он не пассивен, а обладает собственной «свободой процесса самосборки». И материя — вовсе не пассивная субстанция (по устаревшей механистической картине мира), ей свойственна спонтанная активность.

Снизить негативное воздействие человека на природу в горном деле может переход от открытых систем производства к закрытым системам.

Открытая система производства представляет собой карьер, рудник или шахту с обогатительной фабрикой и гидрометаллургическим заводом. Все они загрязняют воздух, вызывая кислотные дожди, гибель флоры и фауны, легочные заболевания у людей, потребляют огромное количество дефицитной пресной воды (например, для производства 1 т стали требуется 295 м³ воды, меди — 5000, алюминия — 1500, резины — 2400, пластмассы — 3000, капрона — 5000 м³ воды на 1 тонну), складируют на больших площадях породу, твердые и жидкие хвосты обогащения.

Система отличается крайне низким выходом готовой продукции на единицу использованных минеральных ресурсов и огромными площадями изувеченной природы. Состояние технологий очистки не позволяет надеяться на самоочищение и разбавление отходов в водных и воздушных бассейнах. Выход — в переходе к полуоткрытым и закрытым системам производства.

Полуоткрытая система производства предусматривает избирательное использование отходов, организацию частичного оборота воды в замкнутом контуре, попутное извлечение некоторых ценных компонентов из минерального сырья.

Более полная очистка дорогими комплексами вредных выбросов в воздух и воду возвращает отходы на повторное извлечение из них полезных веществ, а внедрению этих комплексов весьма способствуют жесткие законы об установлении штрафов за выбросы (в США, например, за каждый килограмм выброшенной в атмосферу серы штраф составляет в различных штатах от 2 до 20 центов).

Закрытая система производства основана на:

• а) комплексной переработке минерального сырья во множество полезных продуктов, суммарный вес которых иногда выше веса изначального сырья за счет использования реагентов и вспомогательных материалов;
• б) извлечении ценных компонентов из твердых, жидких и газообразных отходов и выбросов;
• в) утилизации пустых пород в удобрения и строительные материалы (кирпич, черепица, керамическая плитка, пигментные красители и т. д.);
• г) замене подземной и открытой добычи руды, ее переработки на обогатительной фабрике на прямую переработку сырья подземным и кучным выщелачиванием, в том числе используя биологическое, электрохимическое и сорбционное выщелачивание.

Итак, пути преодоления экологического кризиса и существенного улучшения экологической обстановки заключаются в следующем:

• — отказ от использования производств с экологически вредными техногенными воздействиями на среду (выбросы газов, сбросы загрязненной воды и растворов, накапливание отходов);
• — переход на технологии и процессы, предусматривающие малоотходные технологии и нейтрализацию вредных технологических воздействий на самом производстве;
• — создание центров по переработке, обезвреживанию уже накопленных отходов и их захоронению.

Качество природной среды и состояние природных ресурсов в общем случае оценивается по следующим факторам:

• — атмосферный воздух, озоновый слой;
• — поверхностные, подземные и морские воды;
• — почвы и земельные ресурсы;
• — использование полезных ископаемых и охрана недр;
• — леса и растительный мир;
• — животный мир и рыбные ресурсы;
• — радиационная обстановка;
• — климатические особенности, стихийные и природные явления;
• — влияние загрязнения окружающей среды на состояние здоровья населения (табл. 4.1).

Таблица 4.1

Классы опасности химических элементов в природных средах [45].

Горнодобывающая промышленность оказывает на природу наиболее сильное воздействие.

Горные работы, связанные с добычей полезных ископаемых, подземным строительством и эксплуатацией подземных сооружений, приводят к образованию и длительному существованию свободного подземного пространства, влияние которого на окружающую среду трудно переоценить. Загрязнение окружающей среды происходит на всех стадиях производственного цикла: геологической разведки, добыче полезных ископаемых, переработке руд, ликвидации отходов технологического передела, эксплуатации подземных промышленных объектов. При этом загрязняющие продукты можно разделить по следующим группам (табл. 4.2):

• 1) по выбросам горных предприятий (воздействующих на поверхность земли, леса, воды, атмосферу, недра, социальную среду);
• 2) по фазовому составу выбросов (жидкие, твердые, газообразные);
• 3) по физическим свойствам (механические, тепловые, радиационные, акустические и др.);
• 4) по степени воздействия (агрессивные и неагрессивные);
• 5) по свойствам суммации (способность к вступлению в химические реакции с элементами природной среды, в том числе с образованием новых загрязняющих веществ);
• 6) по свойствам накопления (или не накопления) в природных средах.

Таблица 4.2

Структура основных загрязнений окружающей среды в зоне действия горных предприятий (по М. А. Ревазову)

Наиболее распространенными изменениями природной среды являются:

— изменения ландшафта урбанизированных территорий, сельскохозяйственных и горнодобывающих районов, деформирование поверхности Земли в результате откачки вод, добычи жидких, газообразных и твердых полезных ископаемых, подработки территории подземными сооружениями;

• — подъем уровня грунтовых вод и подтопление территорий при строительстве водохранилищ, орошении земель, при добыче, например, угля, при планировке территории с изменением естественных водоразделов и несущей способности грунтов;
• — изменение гидродинамического режима, загрязнение подземных и поверхностных вод в результате водозабора, перераспределения стоков, сброса жидких отходов;
• — активизация деформационных процессов (оползни, сели), эрозия почвы, повышение сейсмичности территорий;
• — изменение напряженно-деформированного состояния и температурного поля массива горных пород.

В целом эти изменения могут привести к необратимым изменениям естественного геологического, гидрогеологического, геомеханического, теплового, геохимического, радиационного и биологического равновесия.

Если раньше охрана окружающей среды предполагала разработку и реализацию мероприятий только защитного характера, то теперь уровень развития производства требует расширения этого понятия с включением в него и планового управления природными ресурсами. Результаты воздействия горного производства на окружающую среду приведены в табл. 4.3.

Таблица 4.3

Воздействие горного производства на окружающую среду.

Окончание табл. 43

Важнейшей стороной проблемы взаимодействия горного производства с окружающей средой в современных условиях является все более усиливающаяся обратная связь, т. е. влияние условий окружающей среды на выбор решений при проектировании, строительстве горных предприятий и их эксплуатации: способ осушения месторождения, вид рекультивации, способ отбойки руды, размещение внешних отвалов и т. п. (табл. 4.4).

Наиболее полное использование минеральных ресурсов означает следующее.

• 1. В сфере производства минерального сырья — комплексное освоение сырьевых регионов, оптимизация плановых потерь при добыче и переработке, использование содержащихся в сырье основных полезных компонентов, утилизация вмещающих пород и отходов производства, пересмотр кондиций и вовлечение в эксплуатацию забалансовой руды на основе новых технологических решений, например, методами физико-химической геотехнологии.
• 2. В сфере потребления минерального сырья — снижение расхода и потерь сырья за счет применения более совершенных технологий, использования вторичного сырья и отходов, замена минерального сырья искусственными материалами и т. д.

Таблица 4.4

Мероприятия, но рациональному использованию минеральных ресурсов и охране недр [25]

Окончание табл. 4.4

К известным мероприятиям по рациональному использованию минеральных ресурсов (см. табл. 4.4) можно добавить мероприятия по геомеханическому обеспечению устойчивости горных выработок, снижению опорного горного давления, сдвижений пород, разгрузке вывалои удароопасных участков массива, приведению неоднородных дифференцированных участков и зон массива в равноустойчивое состояние. К этим мероприятиям относятся и способы поддержания очистного пространства:

• 1) естественное поддержание рудными и породными целиками (предохранительные целики капитальных выработок, межэтажные, межкамерные и барьерные целики);
• 2) искусственное поддержание:
  • — крепью (распорная, костровая, рамная, станковая);
  • — магазинированием рудной массы;
  • — закладкой (сухая, гидравлическая, твердеющая);
  • — принудительным обрушением налегающих пород.

Негативные последствия угледобывающего производства приведены на рис. 4.2, а структура горнодобывающих и перерабатывающих комплексов приведена на рис. 4.3.

Рис. 4.2. Негативные последствия угледобывающего производства

Рис. 4.3. Структура горнодобывающих и перерабатывающих комплексов.

Окончание рис. 43