2.4 Охрана природного ландшафта в горном производстве

В горно-добывающей промышленности охрана ландшафта представляет собой комплексную систему мероприятий для предотвращения или уменьшения прямого и косвенного воздействия горного производства на ландшафт, и в первую очередь на земли. Рациональное использование земельных ресурсов предусматривает выполнение системы мероприятий, направленных на оптимизацию размещения производственных объектов, их параметров, плотности застройки, сроков отчуждения и использования земельных участков. Рекультивация земель, нарушенных горным производством, рассматривается как основной способ воспроизводства земельных ресурсов, создания оптимальных культурных антропогенных ландшафтов в конкретных природно-климатических и социально-экономических условиях данного района.

Выделены две группы мероприятий по охране, рациональному использованию и воспроизводству земель при разработке месторождений полезных ископаемых. К первой группе отнесены мероприятия предохранительного характера, предусматривающие максимально возможное, экономически оправданное и технически осуществимое сокращение прямого и косвенного воздействия на земли. Ко второй группе отнесены мероприятия восстановительного характера, направленные на установление последствий негативного воздействия горного производства на земли.

Сокращение прямого и косвенного воздействия достигается: за счет внедрения научно обоснованной системы размещения промышленных предприятий и отдельных объектов; путем разработки и внедрения прогрессивных норм нарушения территорий при промышленном и гражданском строительстве; строгим соблюдением строительных норм и правил, регламентирующих взаимное расположение зданий и сооружений, линий электропередачи, дорог, инженерных коммуникаций; оптимизацией параметров карьерных откосов, что позволяет объективно установить как размеры карьерного поля в плане, так и объемы разрабатываемых вскрышных пород и, следовательно, объемы отвалов; оптимизацией параметров отвалов, хвосто- и шламохранилищ; предотвращением деформаций земной поверхности в зоне горных работ; путем внедрения прогрессивных методов осушения месторождений полезных ископаемых, позволяющих сохранить запасы, состояние и режим грунтовых и подземных вод и обеспечить их рациональное использование; устранением и уменьшением сбросов сточных и рудничных вод в гидрографическую сеть; устранением или уменьшением выбросов в атмосферу отходов переработки; предотвращением ветровой и водной эрозии нарушенных земель; утилизацией вскрышных пород и отходов переработки.

Одним из средств уменьшения прямого воздействия на земли является управление карьерными откосами. Анализ проектных решений и опыта открытой разработки значительного числа месторождений свидетельствует о том, что выбор нерациональных параметров карьерных откосов приводит к большим изменениям затрат на вскрышные работы, отвалообразование и снижает эффективность открытой разработки. При этом следует учитывать, что с увеличением глубины карьера соответственно увеличивается заложение борта, т.е. его проекция на земную поверхность. Чем положе откос, тем больше земли нарушается по контуру карьера. Увеличение объема вскрышных работ в связи с нерациональными параметрами карьерных откосов ведет к увеличению объемов отвалов, а следовательно, к увеличению площади земель, требуемых для их размещения.

В значительной степени задача достижения высоких экономических результатов горного производства, лучшего использования недр и земель может быть решена посредством управления карьерными откосами. По мнению Н.В. Мельникова, в связи с большим масштабом и глубиной карьеров должна по-новому решаться проблема управления откосами бортов. Под управлением откосами бортов можно понимать, во-первых, определение углов откосов с надежным, но не преувеличенным запасом прочности и, во-вторых, создание крупных по масштабу методов и средств искусственного

полного и локального укрепления их. Углы наклона бортов карьеров должны быть оптимальными с технико-экономической точки зрения. Критериями оптимальности могут служить минимизация приведенных затрат или максимизация прибыли, подсчитанная с учетом перебора всех возможных в данных условиях вариантов формирования равноустойчивых бортов карьеров с различными углами наклона, профилями борта, способами и средствами искусственного повышения устойчивости ослабленных участков и зон.

Увеличение емкости внешних отвалов и хвостохранилищ также является одним из мероприятий по охране и рациональному использованию земель на горных предприятиях, так как способствует сокращению прямого и косвенного воздействия на земли.

Целесообразность использования этого мероприятия для конкретного горного предприятия определяется спецификой условий разработки месторождения, наличием земельных участков, необходимых для размещения отвалов и хвостохранилищ, условиями оптимизации параметров техногенных ландшафтных комплексов и гармоничного состояния их с природными, направлением последующей рекультивации.

Примером применения этого мероприятия является существенное увеличение высоты хвостохранилища за счет намыва второго яруса на Кингисеппском ПО "Фосфорит", выполненное на основе совместных исследований ЛГИ и ГИГХСа.

Рекомендуемые материалы

Складирование вскрышных пород и отходов производства на непродуктивных или нарушенных землях. Реализация этого мероприятия зачастую осложняется техническими, экономическими, организационными и другими причинами. При производстве горных работ естественно стремление разместить вскрышные породы и отходы переработки в выработанном пространстве месторождений.

На открытых горных работах внутреннее отвалообразование возможно в большинстве случаев разработки горизонтальных и пологих залежей и в отдельных случаях при разработке вытянутых наклонных и крутопадающих залежей.

Для складирования отходов обогащения полезных ископаемых могут использоваться отработанные карьеры, незаполненные или заполненные внутренними отвалами. В обоих случаях требуется выполнение комплекса различных инженерных мероприятий для предотвращения прорыва уложенных хвостов из созданных емкостей, сохранения, очистки вод и организации оборотного водоснабжения обогатительных фабрик, предотвращения загрязнения окружающей среды отходами обогащения, проведения последующей рекультивации хвостохранилищ. Выполнение такого комплекса мероприятий хотя зачастую и требует больших капитальных и эксплуатационных затрат, но дает ряд положительных результатов, а именно:

снижаются размеры площади нарушенных земель;

сокращается объем капитальных вложений на складирование отходов обогащения;

рекультивация земельных участков, где размещены отходы обогащения, производится в ходе горных работ, а не после заполнения хвостохранилища; в связи с этим период отчуждения земель из лесохозяйственного пользования значительно сокращается;

уменьшаются объемы горно-планировочных работ, а следовательно,, и затраты на рекультивацию земель, нарушенных горными работами;

устраняется или в значительной степени сокращается ущерб окружающей среде от запыления атмосферы и оседания пыли на окружающие земли в связи с дефляцией хвостохранилища.

Важным средством охраны и рационального использования ландшафта и земельных ресурсов является утилизация вскрышных пород и отходов переработки полезных ископаемых. Естественно, что чем меньше объем вскрышных пород и отходов переработки, тем меньше требуется земель для их размещения, тем меньше объемы работ по их противоэрозионному закреплению.

Для сокращения площадей земель, отчуждаемых под отвалы и хранилища отходов, в ряде случаев целесообразно использовать отходы в качестве закладочного материала при подземной разработке месторождений.

В последнее время много внимания в России и за рубежом уделяется проблеме противоэрозионной защиты земель, нарушенных горными работами. При первых же попытках решения этой проблемы традиционными методами, относящихся к концу 60-х (США, Канада, Австралия, ЮАР, ПНР) - началу 70-х годов (СССР, ВНР, ЧССР, ФРГ, Ливия), возникли трудности, обусловленные спецификой инженерно-технических и природных факторов, присущих горному производству.

Особые условия эксплуатации горных отвалов (в том числе гидро- и солеотвалов), шламо- и хвостохранилищ, а также транспортных коммуникаций в пределах земельных участков, переданных для пользования горным предприятиям, выдвинули ряд задач по укреплению эродируемых поверхностей, решение которых традиционными методами оказалось недостаточно эффективным, а часто невозможным и потребовало разработки более действенных методов. В связи с этим возникла необходимость проанализировать специфику эрозионных процессов на объектах горного производства, систематизировать задачи, возникающие при осуществлении противоэрозионных мероприятий, и накопленный опыт решения этих задач.

Основные виды отрицательного воздействия продуктов эрозии на природную среду следующие:

1. Необратимые изменения структуры и состава почв - снижение водопрочности и механической прочности агрегатов с последующим ухудшением агрофизических свойств почв; разубоживание гумусового и солевого составов почв; изменение их водоудерживающей способности, приводящее в одних случаях к иссушению, в других - к заболачиванию угодий.

2. Необратимые изменения состава, структуры и свойств потенциально плодородных пород, уложенных на поверхность нарушенных земель с целью их последующей биологической рекультивации.

3. Загрязнение почв и почвогрунтов воздушными и водными выносами дисперсных минеральных частиц, что приводит в ряде случаев к порче растительного покрова, засолению и заболачиванию поверхности.

4. Засоление почв и почвогрунтов и интоксикация растений продуктами химического разрушения пород. Особенно сильно это проявляется в зонах размещения отвалов производства калийных удобрений (солеотвалов).

5. Запыление воздушного бассейна продуктами ветровой эрозии. Наиболее интенсивными источниками запыления являются инженерные сооружения, в результате эксплуатации которых на их поверхности откладываются или образуются слои тонкоизмельченных пород (хвостохранилища, гидроотвалы, автотранспортные пути в пределах территории горных предприятий и т.п.).

6. Загрязнение водного бассейна продуктами ветровой и водной эрозии (твердыми примесями и химическими растворами).

7. Ухудшение физико-технических параметров пород, используемых в различных инженерных сооружениях, например, ухудшение несущей способности и фильтрационных характеристик конструктивных элементов гидротехнических сооружений (дамб хвостохранилищ, плотин, бортов водоотводных каналов и дренажных траншей и пр.); изменение свойств грунтовых оснований; разрушение насыпей и др.

Степень проявления перечисленных негативных воздействий и величина наносимого ими ущерба целиком зависят от способности пород противостоять эрозии.

Основными объектами эрозии на горных предприятиях, наносящими наибольший ущерб окружающей природной среде, являются:

хвостохранилища и им подобные гидротехнические сооружения (гидроотвалы, шламохранилища и др.);

отвалы песчано-глинистых пород;

различные транспортные поверхности (эксплуатируемые бермы отвалов, дамб хвостохранилищ, подъездные и внутрикарьерные дороги и пр.), по которым осуществляется регулярное передвижение тяжелого оборудования и автотранспорта.

Задачи по противоэрозионному укреплению поверхностей хвостохранилищ следует рассматривать как типовые, поскольку хвостохранилища содержат все элементы поверхностей, встречающиеся на других объектах. Кроме того, хвостохранилища отличаются наиболее сложной спецификой инженерно-технических условий эксплуатации, а для возникновения интенсивных эрозионных процессов обладают наиболее благоприятными условиями.

П.Г. Беленький выделяет четыре задачи, специфика которых определена размерами, конфигурацией и эксплуатационными функциями элементов хвостохранилища:

1. Укрепление пологих поверхностей пляжей хвостохранилищ.

2. Укрепление поверхности внутреннего откоса ярусной ограждающей дамбы.

3. Укрепление наружных откосов ярусных дамб обвалования.

4. Укрепление поверхности берм дамб обвалования.

Практический опыт применения различных методов укрепления подверженных эрозии поверхностей позволяет оценить степень их пригодности для решения рассмотренного комплекса задач и определить направления дальнейшего их совершенствования.

Механический метод защиты поверхности от эрозии основан на возведении механической преграды на пути разрушающего агента (воздушного или водного потока). В отличие от биологического и химического методов противоэрозионной защиты породы, слагающие защищаемую поверхность, непосредственно не участвуют в процессе повышения устойчивости поверхности к эрозии.

Для преграждения пути водным потокам применяют специальные способы вспашки склонов с образованием продольных борозд на поверхности откоса, возводят земляные валы или водоотводные нагорные траншеи и т.п.

Однако такие способы не защищают поверхность склонов от прямого воздействия дождя и ветра. Большей надежностью характеризуются способы непосредственного покрытия эродируемой поверхности хвостохранилищ твердыми конструктивными элементами типа сплошных или решетчатых щитов (с последующей посадкой растений в ячейках решеток), сборных железобетонных элементов, соломенных, тростниковых или камышовых матов и плит (последние предварительно обрабатываются вяжущими составами), насыпных слоев щебня, шлака, древесной коры и т.п. В последнее время для укрепления поверхности откосов высоких земляных сооружений типа насыпных плотин, отвалов песчано-глинистых пород применяют покрытия из синтетических полотен. Однако в этом случае затруднена последующая биологическая рекультивация.

Способы механической защиты поверхности от эрозии отличаются значительной трудоемкостью, низкой производительностью и для решения рассмотренных выше задач используются лишь в отдельных случаях, главным образом, как вспомогательные в сочетании с биологическим закреплением поверхности.

Биологический метод защиты поверхности от эрозии предусматривает посадку (посев) культурных или дикорастущих растений на поверхностном слое укрепляемых пород или внесение в этот слой культур микроорганизмов.

Защита пород от разрушения достигается благодаря двум эффектам: глубинному (объемному) связыванию минеральных частиц в пределах укрепляемого слоя и экранированию поверхности от внешних воздействий. В первом случае эффект укрепления создается в результате склеивающего действия продуктов жизнедеятельности микроорганизмов (бактерий, низших растений) или вследствие армирующего действия корневой системы растений. Во втором случае наземная часть биомассы, покрывающая защищаемую поверхность, предотвращает непосредственное воздействие на эту поверхность воздушных и водных потоков или предельно снижает их скорость вблизи поверхности. Кроме того, ослабляется проявление температурного контраста, связанное с суточными колебаниями температуры окружающей среды.

И, наконец, даже при неравномерном зарастании поверхности такие участки служат просто механическим препятствием для частиц грунта, перемещаемых с незаросших участков, и тем самым предотвращают вынос продуктов эрозии в окружающую среду.

В практике противоэрозионной защиты нарушенных горными работами земель наибольшее распространение получил способ залужения поверхности, в особенности поверхности откосов, которые не предназначены для лесо - или сельскохозяйственного использования. Здесь эффективно могут быть использованы торфодерновые ковры.

Выращенные вне отвалов (на верховых торфяниках) ковры транспортируют с помощью простейших средств (волоком на металлических листах) к отвалу и вручную укладывают на откосе.

В результате анализа рассмотренных выше способов биологического закрепления эродируемых поверхностей можно заключить, что с экологической точки зрения биологический метод противозрозионной защиты является наиболее прогрессивным и перспективным. Однако такое укрепление поверхности остается пока весьма трудоемким, дорогостоящим и "чувствительным" к природно-климатическим условиям. Кроме того, учитывая значительную стоимость работ, с помощью биологического метода целесообразно укреплять только отстроенные (погашаемые) поверхности. Поэтому биологическое укрепление (биологическую рекультивацию) поверхности эксплуатируемых отвалов и хвостохранилищ, можно рекомендовать лишь для наружных откосов нижних ярусов. Широкое промышленное внедрение биологического метода закрепления крутонаклонных откосов в практике горного производства сдерживается отсутствием средств механизации.

Современные прогрессивные тенденции в развитии биологического метода противоэрозионной защиты заключаются в следующем.

1. Совершенствование способов создания почвенного слоя из самого укрепляемого материала. Создание почвенных структур из этого материала с помощью химических веществ. При этом в качестве последних предпочтение отдается высокополимерным соединениям, в частности, поликомплексным композициям, внесение которых в мелиоративный слой позволяет быстро создать высокоструктурную почву с высокой гидроаккумуляционной способностью и стабильными агрохимическими характеристиками.

2. Выбор оптимального ассортимента трав для конкретных природно-климатических условий, агрохимических и агрофизических свойств закрепляемых пород. В последнее время предпочтение отдается диким почвопокровным растениям (разрастающимся по поверхности, а не в высоту), не требующим особо благоприятной среды. Намечена тенденция к использованию почвенных водорослей для повышения противоэрозионной стойкости почвогрунтов и формирования почвенного слоя в песках.

3. Разработка рациональных способов гидропосева трав для закрепления горизонтальных и пологих поверхностей.

4. Формирование вне укрепляемой поверхности гибких или жестких конструктивных элементов (плит, матов, крупных гранул) из питательных грунтотравяных смесей с последующей механизированной укладкой этих элементов на крутонаклонные поверхности.

Физико-химический метод противоэрозионного укрепления поверхности основан на управлении свойствами и структурой грунта в укрепляемом слое путем введения в него различных вяжущих веществ. По типу применяемых вяжущих (структурообразователей) различают способы: цементации, битумизации, силикатизации, укрепления грунтов синтетическими смолами, сложными высокополимерными композициями и др.

В процессе укрепления грунтов участвуют две физико-химические системы: грунт и структурообразователь (вяжущее). Процесс протекает на границе контакта этих двух систем.

Для предотвращения эрозии на горных предприятиях могут использоваться различные типы структурообразователей: неорганические вяжущие, битумы, синтетические смолы, лигнины, латексы, полиэлектролитные композиции (поликомплексы), реже цементы.

К способам закрепления грунтов неорганическими растворами можно отнести силикатизацию, укрепление грунтов фосфатными вяжущими, кремнефторводородной кислотой и ее солями, растворами солей железа и алюминия и др.

Среди этих способов наибольшее распространение получили процессы силикатизации (одно- и двухрастворной), основанные на совместном применении растворов жидкого стекла - силикатов щелочных металлов (натрия, калия) и различных гелеобразующих добавок, а также на применении суспензий портландцемента в растворах силиката натрия.

Во всех этих случаях закрепление и снижение проницаемости дисперсных грунтов достигается в результате образования твердеющих гелей, в которых твердая фаза преимущественно представлена кремнекислотой, гидросиликатами, гидроалюмосиликатами или полимерсиликатами - в зависимости от состава используемых растворов или суспензий.

Отечественная химическая промышленность выпускает достаточно большой ассортимент различных смол, полимеров и других химических веществ, позволяющих использовать их в качестве компонентов вяжущего для различных грунтов.

При выборе состава структурообразователей на основе синтетических смол необходимо учитывать следующие требования: недефицитность, выпуск промышленностью в достаточно большом объеме; безопасность и нетоксичность; быстрота отверждения; хорошая растворимость в воде в широком диапазоне температур, малая вязкость раствора; обеспечение необходимой прочности и долговечности покрытия; водопроницаемость структурированных грунтов.

Прочностные, гидрофобные и гидрофильные свойства структурированного грунта зависят от физико-химических свойств структурообразователя и частиц структурируемого материала.

Смолизация широко применяется в практике закрепления грунтов. Отечественной промышленностью выпускаются различные модификации мочевиноформальдегидной смолы (МФС): МФ, МФ-17, крепители М, М-2, М-3, М-60, карбамидная смола, модифицированная поливиниловым спиртом, крепитель К и модифицированная фуриловым спиртом мочевиноформальдегидная смола (МФС-0,1), а также хорошо растворимая модификация карбамидной смолы (КС-М 0,3-СВЛ).

Карбамидные смолы представляют собой продукты поликонденсации формальдегида и мочевины или ее производные. Карбамидные смолы хорошо растворимы в воде, вязкость растворов в зависимости от концентрации колеблется от 0,003 до 0,005 Пас, обладают хорошей проникающей способностью.

Получаемые покрытия на основе МФС обладают пределом прочности на растяжение 0,5-1,5 МПа.

Защита грунтов от ветровой и водной эрозии с помощью латексов заключается в нанесении на поверхность грунтов каучуковой пленки, склеивающей грунтовые частицы и тем самым предотвращающей выдувание их сильными ветрами. Латексы применяются для закрепления грунтов в очагах дефляции, защиты посевов от засекания переносимым мелкоземом на вновь осваиваемых площадях, от выдувания песчаных почв на виноградниках. Преимущество латексов заключается в том, что они являются однорастворным быстротвердеющим структурообразователем, требующим для получения покрытия малых расходов вяжущего; образующиеся покрытия - высокоэластичные. Однако прочность закрепленного грунта невысокая. Как отмечает А.И. Игнатенко, наибольшее распространение получили синтетические латексы СКС-ЗОПХ и СКС-65ГП с содержанием стирола соответственно 27 и 65 %, а также АРМ-15. Для укрепительных работ используются водные растворы латексов 1-5 % -ной концентрации. При этом их расход в зависимости от назначения покрытия и условий его применения может составлять от 0,2 до 1 т/га.

В настоящее время для укрепления сыпучих материалов все чаще находят применение в качестве структурообразователей сложные композиции высокополимерных соединений. Композиции состоят из полиэлектролитов - высокомолекулярных веществ, молекулы которых содержат анион - и катионактивные группы. Вещества, содержащие противоположно заряженные группировки, взаимодействуют между собой, образуя так называемые поликомплексы. Для их получения достаточно смешать водные растворы двух полиэлектролитов анионного и катионного типов. Реакция образования поликомплекса протекает практически мгновенно.

Физико-химические и механические свойства поликомплекса резко отличаются от свойств исходных полимерных компонентов. Благодаря высокой прочности они могут найти применение для защиты почв от ветровой и водной эрозий.

Анализ физико-химического метода противозрозионной защиты, а также опытных и патентных данных по разрабатываемым в этой области решениям позволяет определить следующие тенденции в совершенствовании метода:

разработка рациональных способов инъецирования в грунт укрепляющего агента в сочетании с рыхлением и уплотнением укрепляемой поверхности;

выбор или разработка укрепляющих составов, предназначенных для каждого конкретного сочетания инженерно-геологических, инженерно-технических, природно-климатических условий и конъюнктурных ситуаций;

Информация в лекции "Часть 27" поможет Вам.

механизация основных и вспомогательных процессов во всех звеньях технологической цепи, а именно: подача реагентов от склада растворному узлу, процесс приготовления растворов (совершенствование приемов дозирований, перемешивания и т.п.), оперативная подача растворов к укрепляющим агрегатам и внесение растворов в укрепляемую поверхность.

Таким образом, многообразие природных и технических факторов привело к созданию множества различных способов противоэрозионной защиты, которые по принципу их осуществления относятся к одному из трех вышеуказанных методов.

Механический метод имеет ограниченное применение и используется в основном как вспомогательный в сочетании с остальными.

Биологический метод в наибольшей степени соответствует современным экологическим требованиям, поскольку одновременно с противоэрозионной защитой поверхности способствует восстановлению гармонии техногенных и природных ландшафтных комплексов, улучшению состояния окружающей среды и экологических условий.

Однако этот метод наиболее трудоемкий и дорогостоящий, он не обеспечен достаточно эффективным комплексом средств механизации работ при укреплении крутонаклонных поверхностей и может применяться только для закрепления погашаемых, выводимых из эксплуатации поверхностей инженерных сооружений. Кроме того, в зонах сильно развитой эрозии этот метод используется только в сочетании с другими, преимущественно физико-химическим методом для первичного закрепления поверхности.

Физико-химический метод противоэрозионной защиты в сравнении с приведенными выше является наименее трудоемким и наиболее дешевым. Метод универсален по отношению к свойствам укрепляемой поверхности и факторам внешнего разрушающего воздействия и может быть рекомендован для преимущественного использования в специфических условиях эксплуатации горных предприятий. Для повышения его эффективности необходима разработка рациональных составов вяжущих и способов их внесения в укрепляемую породу, учитывающих специфику условий осуществления метода на объектах горного производства, а также соответствующих средств механизации, обеспечивающих его технологичность и широкое промышленное внедрение.