Инженерно-геоэкологическое обоснование оценки нарушенности горным производством земель для восстановления экологического равновесия

Горнопромышленная промышленность – это основа экономики современной России, которая формирует до 53% доходной части федерального бюджета (2010 г., Ю.И. Трутнев).

Выбор способа разработки (открытый, подземный, комбинированный, гидромеханизированный, скважинный) определяется геологическими условиями залегания полезного ископаемого и его видом. Определенное значение имеют также климатические условия и уровень развития техники. Наибольший удельный вес в мировой горнотехнической практике принадлежит открытому способу разработки, это обусловлено вовлечением в сферу хозяйственной деятельности в основном месторождений полезных ископаемых осадочного и метаморфического происхождения, залегающих в верхней части земной коры – литосфере. Причем, все развитие цивилизации базировалось на использовании материалов, находящихся сначала в непосредственном визуальном контакте с человеком (на поверхности), а затем в пределах небольших глубин, требующих незначительных усилий и невысокого развития техники и технологии при их добыче.

Высокий удельный вес открытого способа разработки российских месторождений полезных ископаемых свидетельствует о сохранении этого направления развития горнодобывающих отраслей. Производство открытых горных работ сопровождается формированием отвальных насыпей, хвостохранилищ, гидрооотвалов. При этом воздействие на окружающую среду современных карьеров и техногенных массивов приобретает региональный характер [1,2,3].

В тоже время при открытом способе разработки месторождений нарушаются значительные земельные площади, динамика рекультивации, которых не соответствует перспективам развития будущих поколений.

В среднем при добыче 1 млн. т угля нарушается до 50 га земли, железной руды и марганцевой руды - до 600га, известняка - до 120 га, фосфоритов – до 80 га. Самая высокая землеемкость добычи угля на разрезах Кузбасса, она достигает при добыче 21,2 га на 1 млн.т и при отвалообразовании – 23,5 га.

Нарушениям, преобразованиям и негативному воздействию подвергаются не только земли и воды непосредственно в пределах карьерного поля, но и территории, занимаемые под внешние отвальные массивы, транспортные и энергетические коммуникации, здания и сооружения горного предприятия. Кроме этого, вследствие дренажных работ изменяются режимы и уровни подземных вод, происходит загрязнение почв и поверхностных вод пылью и стоками на расстояниях в десятки километров от границ земельного отвода. Происходит изменение рельефа местности, а в районах крупных ГОКов преобразовывается ландшафт, утрачивая свои природные качества под воздействием техногенеза. Возникают сложные природно-техногенные системы (ПТС), возврат которых в первоначальное состояние практически невозможен.

Техногенные изменения ОПС при разработке МПИ обладает большой инерционностью (продолжаются и после горных работ) и «эффектом домино» (малые воздействия вызывают крупномасштабные последствия).

К числу наиболее негативных последствий формирования техногенных массивов следует отнести ухудшение состояния атмосферы, сокращение площадей земель, пригодных в большинстве случаев для сельского хозяйства, изменение природного ландшафта и загрязнение почвенного покрова, развитие эрозионных процессов, изменение состояния и свойств горных пород, слагающих основания техногенных массивов, а также гидрологического и гидрогеологического режима района, возникновение горно-геологических процессов и явлений, носящих катастрофический характер. Необходимой предпосылкой разработки экологически безопасных технологических решений по формированию ПТС с обоснованием выбора направления рекультивации является учет физико-географических, геологических, инженерно-геологических, гидрогеологических и горнотехнических факторов, определяющих состояние и характер возможного изменения геологической среды.

Проведенный анализ крупнейших горнодобывающих регионов, таких как КМА, Кузбасс, Апатиты, целого ряда карьеров строительных материалов всех областей России, позволяет сделать вывод о косвенности учета геологических условий месторождений при выборе направления рекультивации. Причем, учет естественной развитости ландшафтов имеют здесь даже не второстепенное, а подчиненное значение.

Существующие способы рекультивации нарушенных горными работами земель зачастую обуславливается техническими и экономическими возможностями предприятия или делается расчет на саморекультивацию.

Система разработки, технология отработки месторождения и система комплексной механизации, применяемые при организации добычи полезного ископаемого, выбираются исходя из геологических, гидрогеологических, инженерно-геологических и т.п. условий, определяемых в ходе производства геологоразведочных работ. Следовательно, уже на стадии разведки месторождения необходимо иметь применительно к данной местности, условиям и типу полезного ископаемого принципиальную модель рекультивации нарушенных будущими горными работами земель.

Инженерно-геологическое обоснование означает проведение следующих операций:

анализ общих геологических условий залегания полезного ископаемого, вмещающих пород и покровных отложений;

• -    анализ их физико-механических свойств;

• -    анализ геохимической обстановки;

климатическое зонирование территории горного предприятия и анализ возможных климатических изменений вследствие горных работ;

• -    анализ возможных последствий развития техногенных процессов;

• -    анализ экзогенных геологических процессов;

• -    анализ экологического состояния геологической среды и др.

Приведение данных работ необходимо производить на основе классификации способов разработки по видам воздействия на лито-, гидро-, атмо- и биосферу и созданной на этой основе модели горного предприятия.

Разработанная модель включает в себя классификационные признаки – критерии, оценивающие степень негативного экологического воздействия горнодобывающего предприятия на окружающую природную среду, социально-экономическую сферу региона и перспективы его развития. Так как конечной целью разработок является исключение и снижение негативного влияния объекта горного производства на экологические условия района расположения карьера или разреза, то выбор критериев для обоснования направления рекультивации нарушенных горными работами земель, должен обуславливаться, в первую очередь, геологическим, гидрогеологическими    и    инженерно-геологическими    условиями месторождения; во-вторых, степенью техногенного изменения этих условий и моделированием их изменения в будущем, а также учетом природных ландшафтных зон этого района.

Надежным инструментом при этом является проведение инженерногеологического районирования территорий, подвергшихся воздействию горных работ. Материалы инженерно - геологического (геоэкологического) районирования должны служить основой для выбора направления и порядка восстановительных работ.

Порядок проведения работ по рекультивации обуславливается степенью нарушенности (экологической опасности) участка инженерно -геологического районирования. Степень нарушенности определяется совпадением максимального количества критериев геоэкологической опасности. Причем, основными критериями являются геологические, гидрогеологические и инженерно-геологические условия частей возникшей природно-техногенной системы.

Основываясь на данные критерии, можно определить показатель устойчивости геологической среды к техногенным воздействиям. Согласно определению М.Д. Гроздинского (1987) устойчивость геосистемы состоит в

«ее способности при воздействии внешнего фактора пребывать в одном из своих состояний и возвращаться в него за счет инертности и восстанавливаемости, а также переходить из одного состояния в другое за счет пластичности, не выходя при этом за рамки инварианта в течение заданного интервала времени».

Устойчивость можно рассматривать в трех случаях согласно авторам Г.А. Голодковской и Ю.Б. Елисеева [4]:

. относительно определенного вида воздействия на систему;

устойчивость является изначальным и не зависит от внешнего воздействия;

определяется на компонентной основе, т.е. выясняется подверженность отдельных компонентов геологической среды техногенным изменениям.

Также при расчете устойчивости определяют такие показатели как:

. степень динамического состояния - отношение зоны воздействия к периоду конкретного воздействия; (K d )

• •    коэффициент нарушенности ландшафта;

коэффициент пораженности территории с проявлением природных и искусственных процессов;

• •    уровень геохимического загрязнения ландшафта;

• •    социально-экологический риск.

Специфичность этой системы обуславливается естественным развитием ее природной части, протекающей со значительно меньшими скоростями, чем техногенез. Техногенез характерен не только образованием нового, зачастую неприсущего данной местности ландшафту, но и образованием пород и вод с совершенно иными свойствами.

Рассмотрим эту проблему применительно к характерным инженерно -геологическим особенностям насыпных техногенных массивов и их оснований. К ним относятся: нарушенность структуры пород в теле насыпи, обуславливающая снижение прочности по сравнению с естественным залеганием; фракционирование пород; самовыполаживание откосов. А также существенное изменение прочности пород насыпей во времени -сопротивление сдвигу увеличивается в связи с уплотнением или снижается при увлажнении пород насыпи и основания; возникновение в водонасыщенных глинистых пород насыпей и их оснований порового давления, способствующего развитию оползней различных типов.

Кроме того, такие техногенные массивы как хвостохранилища могут в будущем использоваться как техногенные месторождения, а гидроотвалы покровных отложений - как источник рекультивационных потенциально плодородных пород. Следовательно, их территории могут учитываться в категории временно нарушенных с соответствующим уменьшением количества критериев геоэкологической опасности.

При проведении районирования также необходимо учитывать степень соответствия получаемого горнопромышленного ландшафта природному (естественному) ландшафту данной географической зоны. Например, для гидромеханизированных карьеров Западной Сибири и ряда карьеров строительных материалов Средней полосы России рекультивационные работы можно не проводить или свести к минимуму, так как при самозатоплении выработанного пространства возникают водоемы, типичные для ландшафта данной местности.

На ранжирование критериев при обосновании выбора направления рекультивации влияют также экономические факторы и социальнодемографическая обстановка района расположения горного предприятия. Здесь подразумеваются плотность населения данной местности, занятость населения, наличие промышленных предприятий, демографический состав проживающего населения, перспективы развития региона, наличие зон и объектов отдыха и многое другое. Например, для тех регионов России, где имеются крупные города с достаточным количеством образовательных учреждений различного профиля, целесообразен комплексный подход к рекультивации территорий, попавших в сферу горного производства на основе создания межвузовских учебно-исследовательских центров (МВУИЦ).

Однако, реализация вышеизложенных мероприятий возможна лишь на основе разработанной базисной модели горного предприятия, определяющей выбор принципиальной схемы рекультивации нарушенных различными видами горных работ территорий. Выбор направления рекультивации и технологии производства восстановительных работ необходимо осуществлять с использованием материалов инженерно - геоэкологического районирования, проведение которого производится по разработанным критериям геоэкологической нарушенности земель.

Таким образом, происходит снижение землеемкости и обеспечивается экологическая безопасность горного комплекса на всех этапах его существования. Разработанные алгоритм комплексной оценки территории и модель горного предприятия позволят грамотно управлять природнотехнической системой и выбрать корректирующие мероприятия для различных регионов с учетом специфики геолого-экологических условий.