О рекультивации земель и утилизации отвалов за счет использования специализированных мобильных подразделений

В результате многолетнего интенсивного антропогенного воздействия предприятий горного производства на ландшафтную среду, земли в угледобывающих районах России подвержены деградации. Основным видом является механическое воздействие, а его последствием -нарушенность структуры и сплошности поверностного слоя земли.

Объектами актуального мониторинга должны быть земельные площади горных отводов с расположенными на них промплощадками, породными отвалами, строениями (для обеспечения технологических работ).

Доля вмещаемых пород, попутно извлекаемых на поверхность в процессах добычи угля и складируемых в пределах земельных участков шахт и разрезов, составляет порядка 40% от объема добываемой органоминеральной массы.

На начало 2010 г. в угольной отрасли России сконцентрировано около 11,5 млрд. т антропогенных твердых отходов, из них около 8 млрд. т. (70%) в Кузнецком угольном бассейне. Почти третья часть от всех накопленных в стане отходов принадлежит предприятиям системы ОАО "УК "Кузбассразрезуголь" –  3,8 млрд. т. Значительное количество отвальных отходов заскладировано в системе ОАО «Челябинская УК» (месторождения Урала) - около 2,9 млрд.т., а также ОАО "УК "Южный Кузбасс" – 1, 69 млрд.т. и ОАО "Междуречье" – 1,3 млрд. т. (Кузбасс).

К концу 2009 г. по сравнению с 2008 г. площадь нарушенных земель увеличилась на 0,9 тыс. га и составила 79,7 тыс. га (табл. 1). Около 59 % от общей площади нарушенных земель - доля Кузнецкого угольного бассейна, а 17,7 % - месторождений Восточной Сибири.

Таблица 1

Общая площадь нарушенных земель по угольным месторождениям и бассейнам

Наименование бассейнов и месторождений	Общая площадь нарушенных земель на конец года, тыс.га.
	2008 г.	2009 г.	2009 г. к 2008 г., %
Угольная отрасль России,	78,8	79,7	101,1
Донецкий	0,1	0,0	0,0
Кузнецкий	47,2	46,9	99,4
Канско-Ачинский	4,7	4,9	104,3
Печорский	1,3	1,3	100,0
Якутский	4,9	4,3	87,8
Подмосковный	0,0	0,1	-
Месторождения Урала	2,1	2,3	109,5
Месторождения Восточной Сибири	13,6	14,1	103,7
Месторождения Дальнего Востока	4,8	5,7	118,8
Месторождения сланца	0,1	0,1	100,0

Как следует из приведенной таблицы, в отношении Донецкого бассейна площадь нарушенных земель не значится (по материалам официальной отчетности). Однако при этом не учитывается состояние дел с земельными ресурсами (из-за отсутствия системы отчетности) по условиям закрытия шахт, выполнения при этом землевосстановительных (рекультивационных) работ и утилизации отвалов. Поэтому исследование по Донбассу является как представляющее интерес.

За длительное время на территории Ростовской области было сформировано 452 отвала шахт и обогатительных фабрик. Общий объем заскладированных в них пород (углеотходов) оценивается в 275 млн. м3, в том числе в отвалах шахт-150 млн. м3, и в сухих отвалах обогатительных фабрик-125 млн. м3.

Общее количество углеотходов, сконцентрированных в отвалах шахт и обогатительных фабрик при усредненном значении объемной массы 2,35 т/м3 составляет 646 млн. т., в том числе в отвалах шахт 352,5 млн. т , и в отвалах обогатительных фабрик 293,5 млн. т.

Хранилищами углеотходов занято 1,3 тыс. га земель, а общая площадь нарушенных земель в связи с угледобычей и углеобогащением, по данным

Ростовского областного Комитета по земельным ресурсам и землеустройству, достигает 7 тыс. га [1,2].

Согласно статистических данных, на территории Ростовской области ежегодно образовывалось в среднем около 7,5 млн. т. твердых промышленных отходов, около 50 % из которых приходилось на долю углеотходов [3]. При такой значительной доле, утилизация углепромышленных отходов, как минимум, на порядок отставала от темпов их накопления.

Изыскательскими и аналитическими исследованиями установлено, что на территории области преобладают отвалы объемом до 4000 тыс. куб.м. Преобладающая форма отвалов угольных шахт коническая (террикон) и хребтовая (характерная для старых шахт). Плоские отвалы, формируемые для борьбы с самовозгоранием, их доля в общем количестве не превышают 20 %.

Складированная в отвалах горная масса является источником выделения в окружающую среду токсичных химических и радиоактивных веществ, мигрирующих в окружающий почвенный покров, воду и воздух. Такая миграция обусловлена горением горной массы, выветриванием, дегазацией и выщелачиванием. Крайне опасны различного рода деформации отвалов: оползни и обрушения, особенно в местах непосредственной близости от жилых строений.

Органоминеральный состав, внутренние параметры и внешние условия среды углеотходных масс в Восточном Донбассе предопределяют процессы самовозгорания отвалов.

Из учтенных отвалов порядка 75% находятся в различных стадиях горения, либо в перегоревшем состоянии. В процессе горения происходит существенное изменение исходных пород вплоть до его полной конверсии, а также выбрасывает в атмосферу значительные объемы газов и твердых продуктов горения.

Из тридцати породных отвалов, обследованных в городе Шахты и ближайших поселках, шесть - в балках Футбольная и Шахтерская шахты «Глубокая»; №5, №7 бис , №11 бывшей шахты №47 и шахты №26 ШУ «Мирное» являются горящими. На отвалах в балке Футбольная и №7 бис горение носит интенсивный характер, в результате чего в атмосфере накапливаются взвешенные и газообразные вредные вещества

Причиной деградации земель, помимо имеющихся породных отвалов, являются несанкционированные свалки бытовых и промышленных отходов. Как выяснено в ходе маршрутных наблюдений, обычно они концентрируются в местах практически всех сформированных отвалов. Химический состав отходной массы отвалов такой, что он способен заразить плодородный слой земли на долгие годы. В весенне-летний период места отвалообразования являются потенциальным источником распространения инфекций. Горящие свалки могут стать причиной возгорания отвалов (имеется факт возгорания плоского отвала №7 бис шахты №47).

Основные показатели, характеризующие отвалы и уровень техногенной нагрузки в пределах шахтерских городов представлены в табл. 2.

Таблица 2

Уровень техногенной нагрузки в некоторых шахтерских городах Ростовской области

Город	Площадь застройки, 2 км	Кол-во угледо-бывающ их предприятий	Кол-во отвалов	Общий объем УПО		Площадь УПО, га	Уровень техногенной нагрузки, тыс. т./км2
				тыс. м3	тыс. т
Гуково	35,2	13	21	11480	25256	50,4	717,5
Красный Сулин	21,0	9	7	580	1276	5,8	60,8
Новошахтинск с Соколово-Кундрюченским	94,0	13	42	33970	74734	108,9	795.0
Шахты	52,0	23	42	32762	72076	163,8	1386,1

Как правило, предприятия угольной промышленности и хранилища УПО располагаются либо в самих населенных пунктах (шахтерских поселках), либо в непосредственной близости от них, создавая угрозу экологической безопасности населения. По этому фактору к особенно неблагополучным можно отнести угольные города: Гуково, Красный Сулин, Новошахтинск и Шахты. Здесь на относительно небольшой площади сконцентрировано значительное количество шахтных отвалов и отвалов обогатительных фабрик. При этом, как следует из данных приведенной таблицы, уровень техногенной нагрузки (рассчитываемый как отношение количества УПО,- тыс. т., к площади городской застройки,-км2) резко повышен [4, 5]. Так, к примеру, половина обследованных отвалов расположена в непосредственной близости от жилых строений (на расстоянии от 2 м до 50 м, а в отдельных случаях ещё ближе- основание террикона шахты «Пролетарская диктатура» находится в 2 м от частного дома). Это свидетельствует о необходимости разработки в составе проекта закрытия нерентабельных шахт комплекса мероприятий, направленных на обеспечение утилизации углепромышленных отходов, снижения их негативного воздействия на окружающую среду, а также разработку технологий по предупреждению и ликвидации опасных проявлений при ликвидации шахт и хранилищ отходов.

На горных отводах ликвидируемых шахт Восточного Донбасса применительны практически все виды работ по рекультивации нарушенных земель.

Рекультивация нарушенных земель [6,7] осуществляется в два этапа: технический и биологический.

При проведении технического этапа рекультивации предусматривается следующий порядок выполнения работ:

• -    освобождение рекультивируемой поверхности от ликвидируемых зданий и сооружений, производственных конструкций и строительного мусора;

• -    грубая и чистовая планировка отвалов, промплощадок, восстановление водоотводных канав, уменьшение крутизны или террасирование откосов, засыпка и планировка шахтных провалов, прогибов, мульд оседания, восстановление деградированных земель, трасс путепроводов, дорог и др.;

• -    строительство подъездных путей к рекультивируемым участкам, устройство въездов и дорог с учетом условий работы сельскохозяйственной, лесохозяйственной и другой техники;

• -    устройство и ремонт (при необходимости) дренажной, водоотводящей и водосборной сети;

• -    обустройство дна и бортов остаточных выработок карьеров, других гидротехнических сооружений;

• -    ликвидация или использование плотин, дамб, насыпей, засыпка техногенных озер и протоков, благоустройство русел рек;

• -    мелиорация токсичных пород и загрязненных почв, их перекрытие слоем потенциально плодородных пород и/или создание экранирующего слоя;

• -    покрытие поверхности слоем плодородных почв, планировка.

Планируя работы по устройству террас, озеленению, тушению породных отвалов, переформированию, разборке и вывозу отвалов, нанесению слоя потенциально-плодородной породы и другие мероприятия технической и биологической рекультивации - обуславливают необходимость определения параметров технологических схем рекультивации и обоснования применяемых средств.

Специфичность каждого отвала с точки зрения его состояния (горящий, негорящий), агрофизико-химических свойств смеси пород, слагающих отвал внутри и на поверхности, морфометрических параметров (вид отвала, высота, углы откосов, площадь основания) обуславливает индивидуальный подход проектированию процессов рекультивации конкретного объекта [1,2,8]. Разработка технологических схем позволяет использовать конкретные типовые инженерные решения по технологии и определять средства механизации входящие в состав мобильных подразделений.

Технологические схемы технической рекультивации должны обеспечивать выполнение работ эффективными способами и средствами с учетом требований последующего целенаправленного использования рекультивируемых отвалов.

Технология этого этапа рекультивации конических и хребтовых отвалов включает технологии выполнения отдельных операций: тушения отвалов, снятия вершины отвалов, понижения (разборки) отвалов, террасирования (микро террасирования) отвалов, выполаживания откосов.

Компонуя выбранные технологии, можно составить технологическую схему технической рекультивации любого конкретного отвала.

Требования биологического этапа рекультивации к техническому этапу определяют состав необходимых операций и соответственно, технических средств. Общая цель рекультивации отвалов шахт и обогатительных фабрик (ОФ) заключается в ликвидации или снижении вредного воздействия последних на окружающую среду путем:

• -    полного или частичного снижения выбросов в атмосферу пыли и других вредных компонентов;

• -    предотвращения сноса мелкозема с поверхности отвалов;

• -    изменения водного режима и качества грунтовых вод прилегающих территорий в сторону их улучшения;

• -    создания целенаправленных антропогенных ландшафтов. Реализация перечисленных мероприятий достигается обеспечением определенных требований при производстве технического этапа рекультивации.

Рекультивации отвала предшествует его всестороннее обследование, включающее определение его роли и места в ландшафтной системе района, установление параметров вредного влияния отвала на окружающую среду, физико-химических и агрохимических свойств пород. На основании обследования в каждом конкретном случае устанавливаются необходимость и цель проведения рекультивационных работ: определяются направление рекультивации, технология работ, выбираются средства механизации, устанавливается эффективность мероприятий.

Комплекс работ по технической рекультивации земель, нарушенных при подземной добыче угля, включает ряд последовательных технологических операций. Для их выполнения используются горные, мелиоративные и дорожно-строительные машины, включающие: экскаваторы с емкостью ковша до 5 м3, погрузчики, бульдозеры, скреперы, автотракторный транспорт, гидромониторы, террасы, насосные установки, канавокопатели, буровые станки и т.д. В зависимости от конкретных условий формируются технологические комплексы средств механизации.

Систематизация технологических схем технической рекультивации отвалов по типу применяемого оборудования позволило выделить группы схем с применением: бульдозеров, мехлопат, драглайнов, гидромониторов. Структуризация данных о механизированных комплексах позволила выделить сопрягаемое (полностью или частично совмещаемое с основным технологическим процессом) оборудование и раздельное оборудование, которое используется в отдельных операциях.

В качестве основы организации мобильных подразделений предложен принцип концентрации средств для достижения эффекта от специализации производственных работ при рекультивации отвалов ликвидируемых угольных шахт, и, в частности, Восточного Донбасса до оптимального уровня, обеспечивающего минимум суммарных затрат на производство рекультивационных работ.

Формирование структуры, состава и оснащенности мобильных природоохранных подразделений предполагается базировать исходя из разработок, основанных на типовых технологических процессах рекультивации отвалов. Структура подразделений должна соответствовать специфики функциональных задач по условиям технологической и биологической рекультивации отвалов. Факт концентрации объектов рекультивации закрываемых (ликвидированных) нерентабельных шахт Восточного Донбасса по технологическим узлам создает определенные предпосылки «однородности» производимых рекультивационных операций в пределах промузлов и техногенных районов. При этом наиболее подходящими для использования приняты разработки ВНИИОСугля (ОАО «МНИИЭКО ТЭК»), в которых по признаку связи с системами разработки месторождений схемы технической рекультивации подразделяются на: совмещенные, раздельные и комбинированные.

Совмещенные схемы включают технологические схемы рекультивации, в которых все работы по рекультивации выполняются основным горным и транспортным оборудованием без привлечения специальной техники.

Раздельные схемы технологической рекультивации включают технологические схемы, представляющие самостоятельные технологические процессы, в которых выполнение рекультивационных работ производится специальным оборудованием по самостоятельному производственно-технологическому циклу вне связи с основным горным производством.

К группе комбинированных работ или частично совмещенных схем технической рекультивации относятся технологические схемы, при которых часть работ выполняется по совмещенной, а часть по раздельной технологии.

С учетом изученных материалов, а также данных, полученных авторами в ходе полевых исследований в районе отвалов Донбасса сделан вывод о целесообразности рекультивации отвалов закрытых шахт по раздельным технологическим схемам с вариантами комплексов механизации представленными в табл. 3.

Таблица 3

Варианты комплексов механизации для мобильных подразделений по выполнению рекультивационных работ на отвалах закрываемых шахт

Наименование комплекса	Вариант технологической схемы	Механизмы, применяемые на операциях					Рациональная длина транспортировки, км
		Снятие	Погрузка	Транспортировка	Укладка	Поддержание дорог
Бульдозерный		Бульдозер типа Д3-34С	-	Бульдозер Д3-34С	-	-	до 0,2
Скреперный	Использование прицепного скрепера	Д3-23 (скрепер)	-	Скрепер Д3-23	-	Автогрейдер Д3-14А	до 1,0
	Использование самоходного скрепера	Скрепер Д313 толкач-бульдозер Д3-34С	-	Скрепер Д3-13	-	Автогрейдер Д3-14А	до 3,0
Автомобильный	С применением погрузки универсальным и экскаваторами	Бульдозер Д3-34с	Экскаватор Э-2503	Автосамосвал Краз-256Б	Бульдозер Д3-34с	Автогрейдер Д3-14А	1,0-5,0
	С применением погрузчиков	Бульдозер Д3-34С	Погрузчик ТО-И	Автосамосвал МоАЗ-522А	Бульдозер Д3-34С	Автогрейдер Д3-143	1,0-7,0
	С использованием экскаваторов	Бульдозер Д3-34С	Экскаватор ЭКГ-4,6Б	Автосамосвал БелЛАЗ-540	Бульдозер Д3-34С	Автогрейдер Д3-143	1,0-10,0

На основе сведений из приведенной таблицы можно формировать плановые потребности для выполнения работ по рекультивации нарушенных земель и ликвидации отвалов. Исходя из условий, типов нарушения и размещения породных отвалов шахт, можно сделать вывод, что для землевосстановительных работ целесообразно применять технологические схемы с применением бульдозерной техники, мехлопат, драглайнов и гидромониторов. При этом, для эффективного использования технических средств, предлагается создавать специализированные мобильные подразделения с функциями выполнения рекультивационных работ, ликвидации отвалов и санации территорий в целях обеспечения экологической безопасности территорий в районе шахтерских городов и поселков..

С помощью специализированных мобильных подразделений, выполняющих отдельные типовые операции рекультивации (то есть повышающие технологическую однородность производственных процессов) и повышающих как качество выполняемых работ, так и квалификацию исполнителей до высоко профессионального уровня, обеспечат минимум суммарных затрат на производство рекультивационных работ.