Формирование техногенного рельефа нарушенных территорий средствами гидромеханизации

Актуальность работы. Топливно-энергетический комплекс России является одним из главных участников нарушения природной среды, т.к. на его долю приходится до 70% ежегодного нарушения земель горными работами. Кузнецкий угольный бассейн имеет наиболее негативные показатели по воздействию на окружающую среду — площадь нарушенных земель там составляет 52.1% от общеотраслевого показателя. В то же время в Кузбассе выполняется порядка 39% общеотраслевого объема рекульти-вационных работ. КАТЭК является одним из передовых бассейнов в плане наименьшего негативного воздействия на окружающую среду. На каждую тонну добычи полезного ископаемого нарушается не больше 1,2 га земель, но там выполняется только 8% общеотраслевого объема рекультивацион-ных работ.

В настоящее время наблюдается тенденция., когда изъятые из сель-хозоборота под горные работы земли после рекультивации становятся лесонасаждениями и только 15% пашнями.

Опыт рекультивации показал, что в целом ряде случаев происходит эрозия или заболачивание, как самой восстановленной территории, так и прилегающих земель.

Гидромеханизация разрабатывает потенциапьно плодородные суглинки с различным содержанием песка и глины. Известно, что гидромеханизация обеспечивает наиболее низкие затраты на разработку этих пород. Кроме того, процесс намыва близок к естественному процессу формирования рельефа В этих условиях целесообразно шире привлекать гидромеханизацию для рекультивации нарушенных горными работами земель.

Идея работы заключается в том, что устойчивый во времени техногенный рельеф может быть сформирован средствами гидромеханизации только с учетом физико-механических свойств пород и гидросмеси, при обосновании величины уклона рекультивируемой поверхности, что определяет парамет ры технологических схем замыва.

Научные положен"", защищаемые в диссертации:

1. Параметры технологических схем рекультивации нарушенных горными работами земель при применении средств гидромеханизации зависят от величины формируемого уклона, гранулометрического состава намываемых пород и концентрации гидросмеси.

2. Величина уклона рекультивируемой поверхности определяется величиной неразмываюшей скорости для соответствующих горных пород, из которых он формируется, их плодородием (способностью к задер-новке) и расходом протекающего потока.

3. Количество дамб обвалования при рекультивации средствами гидромеханизации определяется величиной уклона рекультивируемой поверхности. гранулометрическим составом намываемых пород и может быть снижено за счет повышения концентрации намываемой гидросмеси.

Научная новизна работы:

1. Установлена математическая зависимость для расчета величины уклона рекультивируемой поверхности, исключающей ее размыв.

2. Разработана методика расчета основных параметров технологических схем рекультивации средствами гидромеханизации в зависимости от формируемого уклона намываемой поверхности, гранулометрического состава пород и концентрации гидросмеси.

Научное значение диссертационной работы заключается в разработке методики определения параметров технологических схем рекультивации средствами гидромеханизации нарушенных горными работами земель при формировании уклона намываемой поверхности, исключающего ее размыв.

Практическое значение работы заключается в обосновании технологии замыва с целью рекультивации остаточных горных выработок бывшего поля № 3 разреза «Назаровский» и величины неразмывающего уклона рекультивируемой поверхности территории рекреационной зоны Лебединского ГОКа в районе железнодорожного отвала «Бродок».

Реализация результатов исследований.

Результаты работы были использованы при разработке рекомендаций по рекультивации нарушенных территорий для Лебединского ГОКа и «Назаровского» разреза.

Апробация работы. Работа и ее отдельные разделы докладывались на симпозиуме «Неделя горняка» (Москва" МГГУ, 1997;1998) и конференции «Проблемы теории и практики в инженерных исследованиях» (Москва, РДУН, 1997 г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 5 научных статей.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.

1.1 Современный уровень нарушения земель при ведения открытой добычи полезных ископаемых.

Россия — одна из землеобеснеченных стран мира. Однако в результате ежегодного изъятия земель для гражданского и иного строительства, отвода земель под горные разработки и на другие нужды площадь сельскохозяйственных угодий в расчете на душу населения непрерывно падает. Так по предварительным подсчетам на одного жителя Российской Федерации приходится примерно 1,47 га. земли, в том числе пашни и многолетние насаждения 0,9 га. Удельные показатели в некоторых горнодобывающих районах значительно ниже: Кемеровская область — 0,49 га.- Свердловская область — 033 га.- Иркутская область — 0,64 га. Такая же тенденция наблюдается и в других промышленных развитых странах мира, хотя темпы снижения количества пахотных земель на каждого жителя в разных странах различны и зависят в основном от усилий общества по охране земельных ресурсов. Около половины пахотных земель России представлены черноземными почвами, обладающими высоким плодородием. [85, 45].

В то же время в зоне распространения черноземных почв недра земли богаты полезными ископаемыми. В этих районах находятся запасы угля (Кузнецкий, Подмосковный, Канско-Ачинский бассейны и др.), железных руд (КМА), повсеместно распространены месторождения строительных горных пород. Добыча полезных ископаемых в указанных регионах сопровождается нарушением самых плодородных земель. Высокие темпы производства обуславливают ускоренный рост использования минерально-сырьевых ресурсов. В последние десятилетия (с 1960 по 1990 г.) объем добычи минерального сырья в нашей стране увеличивался вдвое примерно каждые 12−15 лет. Все в больших объемах вовлекаются в производство бедные руды, высокозольные и сравнительно низкокалорийные угли. Расширяется добыча полезных ископаемых наиболее экономичным способом, т. е. открытым способом. В настоящее время открытым способом в РФ добывается примерно 75% общего объема добываеi мых твердых полезных ископаемых. При этом эксплуатируется около 4000 карьеров, из которых значительную часть составляют карьеры по добыче строительных горных пород. Открытый способ разработки, наряду с лучшими технико-экономическими показателями разработки, по сравнению с подземными, обуславливает значительные нарушения земной поверхности, связанные с горными выработками, отвалами пустых пород, хвостои шламохранилшцами, складами полезного ископаемого, транспортными коммуникациями и другими сооружениями, площадь отводных карьеру земель исчисляются сотнями, а на крупных предприятиях — тысячами гектаров, которые в процессе разработки месторождения частично или полностью нарушаются. По приближенным расчетам общая площадь земель, нарушенных в бывшем СССР при добыче твердого минерального сырья, к 1990 г. превысила 3,0 мпн. га. Примерно 1,2 млн. га. составляют земли, нарушенные при торфоразработкахпри добыче угля и сланцев более 250 тыс. га.- руд черных и цветных металлов — более 600 тыс. га.- строительных горных пород — более 750 тыс. га.- горно-химического сырья — более 45 тыс. га. Более 60% нарушенных земель сосредоточено в европейской, а остальные в азиатской части страны, На РФ приходится около 67% всех нарушенных земель, около 12% Украину и около 9% на Казахстан. [85]. Наряду с выше перечисленными числами нарушаемых земель по РФ можно отметить, что на период 1996 года всего было нарушено земель горным производством 112 тыс. га, а рекультивировано около 72 тыс. га и примерно 9 тыс. га отведено под пашни. Такая же тенденция наблюдается и в последующие годы, так, например в 1998 г. нарушаемых земель по РФ угольной промышленности составило примерно 107,36 тыс. га, а под внешние отвалы было отведено около 31,3 тыс. га.

Общая площадь изъятых и нарушенных земель по концерну «Кузбассразрезутоль» в 1990 году составила 37,8 тыс. га., в том числе 19,5 тыс. га (51,5%) — сельскохозяйственные угодья (в т.ч. 6,7 тыс. га — пашня). Ежегодно нарушается 880 га, что составляет 14 га на 1 млн. т добычи, а при достигнутой в настоящее время рекультивации 550 га в год, только 56,8% земель возвращается пользователям. При этом всего восстановлено и передано землепользователям 2,8 тыс. га. [85]. В тоже время, на период 1998 года площадь нарушенных земель по Кузбассу составило всего 52,5 тыс. га., в том числе под внешние отвалы 22,2 тыс. га, гидроотвалы 6,5 тыс, га., а рекультивировано всего 486 га.

Техническое развитие и совершенствование угольной промышленности страны, сосредоточение ее предприятий в крупных территориально-производственных комплексах сопровождается многосторонним воздействием процесса добычи и переработки угля и сланца на природную среду. В экологическом отношении это воздействие носит негативный характер и применительно к специфике угледобывающих регионов проявляется в загрязнении вредными веществами водного и воздушного бассейнов, нарушении продуктивных земельных угодий, образование неблагоприятных форм техногенного рельефа, изменение гидрологического режима и гидрогеологических условий местности и др.

Чрезвычайно разнообразно воздействие угольных предприятий на ландшафт. Помимо сокращения продуктивных земельных площадей, используемых под сельскохозяйственные и лесные угодья, в результате изъятия их из народнохозяйственного оборота при эксплуатации шахт и разрезов происходит значительное изменение структуры и состава поверхностного слояглубина воздействия в отдельных случаях достигает 1000 м и более. Вынимаемые в процессе горных работ глубоко залегающие породы. часто неблагоприятные для жизни растений по своим физическим и химическим свойствам, оказываются на поверхности породных отвалов, размещаемых вблизи угледобывающих предприятий.

Характерные нарушения земель происходят в результате отсыпки отвалов разрезов, породных отвалов шахт и обогатительных фабрик, провалов и прогибов земной поверхности в районах шахт, выработанного пространства разрезов, остаточных горных выработок, промплощадок, транспортных коммуникаций и др.

В среднем при добыче 1 млн. т. топлива отчуждается 765 га земельных угодий, при добыче 1 млн. т. сланца открытым способом данный показатель достигает 20 га и более, причем эта величина имеет тенденцию к росту с углублением горных работ. [100].

Помимо нарушений земной поверхности в границах земельного отвода угольные разработки приводят к значительному изменению гидрологического режима и гидрог еологических условий местности, что усиливает их неблагоприятное воздействие.

В Павловском районе Западного Донбасса в результате разработки поймы реки Самары на протяжении нескольких десятков километров произошло неравномерное проседание земной поверхности с образованиг* К? г" ем затопленных водой олюдцеооразных воронок глуоинои до з — 6 м. Вследствие этого из сферы народнохозяйственного использования полностью выведены земельные угодья в районах размещения угольных шахт. [37].

Заболачивание и затопление отработанных территорий является основными видами нарушений в Чурубай-Нуринском и Тентекском районах Карагандинского каменноугольного бассейна. Источником подтопления служат грунтовые воды аллювиальных отложений рек Чурубай-Нуры и Сакура. Общая площадь подтопленных земель составляет' около 1000 га, из которых 40% затоплено, а 60% затопляется сезонно вследствие колебания уровня грунтовых вод, [42,43] у В ряде угольных^{Бассейнов} страны — таких, как Подмосковный, Львовско-Волынский и Челябинский — подтоплению подвергаются не только поймы рек, находившихся в районах добычи, но и территории, удаленные от крупных поверхностных водостоков. В Подмосковном бу-роугольном бассейне основным видом нарушений при подземных горных разработках являются постоянно и сезонно затапливаемые прогибы поверхности глубиной 0,5 — 2,5 м, диаметром 50 — 60 м. Прямыми следствиями ведения горных работ являются уменьшение производительности водозаборов, исчезновение воды в остальных колодцах. Все это создает дефицит в водоснабжении ряда городов и сельских поселков, ведет к дополнительным затратам. [99].

При добыче полезных ископаемых наряду с непосредственными нарушениями земной поверхности при производстве горных работ, происходит загрязнение прилегающей территории, возникают очаги эрозии. Почвенный слой подвергается физическом}', механическому и химическому воздействию.

Физическое нарушение структуры почв связано с изменением режима почвенных и подземных вод, ландшафта и деформациями поверхности, В результате почвы осушаются или заболачиваются и теряют плодородные свойства. Механическое нарушение почв происходит из-за их загрязнения пылением отвалов, шламохраншшщ и пылью, образующейся при выполнении основных технологических процессов при добыче и переработке полезных ископаемых.

Из зарубежной практики известно, что в бывшей ФРГ издан специальный закон о комплексном планировании добычных работ. При составлении планов развития районов обязательно учитываются планы рекультивации. При этом бережно относятся не только к извлекаемым почвам, но и к ггочвообразующим, потенциально-плодородным породам.

Так в Рейнском буроугольном бассейне обязательным элементом горнотехнической рекультивации является перемещение лёссовых пород, подлежащих разрабо тке, с т ерриторий на отработанные участки и нанесение их слоем, мощностью 1−2 м. 26].

Н М.

При этом считается экономически выгоды транспортирование лёссовых пород железнодорожным транспортом на расстояние до 30 км.

Формирование рекультивируемого яруса производится двумя способами: ленточными отвалообразователями с последующим разравниванием бульдозерами, отвальными плугами и гидравлическим.

Последнему способу оказывают предпочтение, так как при намыве лёссовых пород образуется идеально ровная поверхность, создается высокая пористость почвенного профиля, 48−50%, предотвращается возникновение переуплотненных слоев при разравнивании поверхности тяжелыми механизмами. При этом снижается стоимость рекультивации одного гектара на 10−12 тыс. марок при общей ее стоимости 40−55 тыс. марок, несмотря на то, что в транспортном потоке появляется дополнительное звено — загрузочный комплекс и гидротранспортная система. [26].

Работы производят следующим образом. После отсыпки верхнего яруса отвала отвалообразователями, его гребни разравнивают бульдозерами и на спланированной поверхности оконтуривают участки площадью 3−5 га при помощи дамб, высотой 1,2−1,5 м, шириной по гребню 2−2,5 м, сооружаемых из лёсса, доставляемого автосамосвалами.

По гребню дамб укладываются пульпопровод диаметром 250 мм, по которому транспортируют пульпу с консистенцией Т: Ж 1:1,5. При подготовке лёсса пульпы из него удаляются крупные фракции (галька, щебень). Пульпа транспортируется на дайну до 10 км.

Намыв лёсса производятся с подстилающей породы. При ее высыпании образуются водоупор, который уменьшает инфильтрацию воды при намыве последующего слоя. Участок площадью 3−5 га с мощностью рекультивируемого яруса 1−1,5 намывают в течение недели.

Для образования почвогрунта с равномерным составом и равномерными свойствами место выпуска пульпы перемещают по контуру участка. Пульпопровод оборудуют быстроразъемными соединениями и переносными Г-образными конневыми звеньями.

После уплотнения почвогрунта разравнивают гребни дамб.

Период с момента окончания намыва до начала использования земель в сельском хозяйстве очень небольшой, от 1−5 до 12 месяцев. [40].

В соответствии с Основами земельного законодательства предприятия, разрабатывающие месторождения полезных ископаемых, обязаны за свой счет приводить нарушенные земли в состояние, пригодное для использования в сельском, лесном или рыбном хозяйстве. При этом указывается, что приведение земельных участков в пригодное состояние должно осуществляться в ходе горных работ, а при невозможности этого — не позднее чем в течение года после завершения работ. Чем быстрее и 1 качественнее будут восстановлены земли, изъятие из сельского или лесного хозяйства, тем меньший ущерб понесет общество от их отчуждения под горные разработки. [85].

Общие выводы и рекомендации.

1. Разработана методика расчета параметров технологии рекультивации средствами гидромеханизации нарушенных горными работами земель., которая позволяет формировать устойчивый во времени рельеф, исключающий эрозию или заболачивание восстанавливаемой территории,.

2. Установлена зависимость для расчета величины нераз мываемого уклона рекультивируемой поверхности для пород различного лито-логического состава. Неразмываемым уклоном в условиях рекультивируемого участка горных выработок разрезов КАТЭКа для суглинка является 3.8 град, а в задернованном состоянии не более 10 град.

3. Разработана югассификация технологических схем намыва гидросмеси на нарушенные горными работами территории, которая позволяет для конкретных горнотехнических условий произвести выбор рациональных технолог ических схем рекультивации и сократить количество расчетов при их технико-экономическом сравнении.

4. Определены графики изменения суммарной высоты дамб обвалования (как основного фактора формирования требуемой величины уклона рекультивируемой поверхности) в зависимости от высоты дамбы, длины замываемой территории и фактически возможного уклона намываемого пляжа, определяемого принятым способом намыва.

5. Установлено, что величина удельного расхода воды в сгущенной гидроциклоном гидросмеси определяется величиной содержания песка в исходном продукте и соотношением расходов сгущенной гидросмеси и слива. Для условий разреза «Назаровский» применение гидроциклона при намыве позволяет сократить величину удельного расхода воды в гидросмеси с 7,5 м7мэ до 3,5 м3/м^ в результате чего величина уклона намываемого пляжа увеличивается примерно о 2 раза. При этом для участка замьгва 1 км суммарная высота дамб обвалования сокращается с 75 м до 50 м.

6, Технические предложения по горнотехнической рекультивации остаточных горных выработок разреза «Назаровский» средствами гидромеханизации при выполнении первого этапа работ (намыва 6,5 млн. м' горных пород) обеспечивают по сравнению с традиционным способом экономический эффект, превышающий 40 млн руб. (в ценах 1998 года).