Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Геологические и геоэкологические особенности титаноциркониевых россыпных месторождений, расположенных в различных геологических и географо-экономических условиях 11
Глава 2. Геоэкологические проблемы освоения титаноциркониевых россыпных месторождений и возможные способы их решения 60
Глава 3. Особенности использования способа скважиннои гидродобычи при освоении титаноциркониевых россыпей 93
Глава 4. Прогнозная оценка деформации земной поверхности при применении способа СГД 102
Заключение 109
Литература 111
- Геологические и геоэкологические особенности титаноциркониевых россыпных месторождений, расположенных в различных геологических и географо-экономических условиях
- Геоэкологические проблемы освоения титаноциркониевых россыпных месторождений и возможные способы их решения
- Особенности использования способа скважиннои гидродобычи при освоении титаноциркониевых россыпей
- Прогнозная оценка деформации земной поверхности при применении способа СГД
Введение к работе
Глава 1. Геологические и геоэкологические особенности
титаноциркониевых россыпных месторождений,
расположенных в различных геологических и
географо-экономических условиях 11
Геологические и геоэкологические особенности титаноциркониевых россыпных месторождений, расположенных в различных геологических и географо-экономических условиях
Изучение и прогнозирование техногенного воздействия при поисках, оценке, разведке и эксплуатации месторождений полезных ископаемых на окружающую среду (ОС) являются обязательной составной частью геологоразведочных работ и должны способствовать снижению их негативных последствий, получению исходных данных для разработки рационального комплекса природоохранных и восстановительных мероприятий и определения затрат на их проведение. Результаты этих исследований должны проходить экологическую экспертизу, без положительного решения которой, согласно законам РФ, запрещено освоение месторождений [64, 65].
В России и сопредельных государствах установлены две провинции древних прибрежно-морских Ti-Zr россыпей. Первая из них приурочена к Восточно-Европейской платформе, характеризуется наличием разновозрастных россыпных формаций: от среднего девона до неогена включительно. Вторая находится в пределах Западно-Сибирской плиты и представлена палеогеновой продуктивной формацией, приуроченной главным образом к ее окраинам (рис. 1.1).
Экологическая изученность рассматриваемых в данной работе россыпных титаноциркониевых месторождений приводится по результатам геологоразведочных работ, базирующихся на рекомендациях и требованиях нормативно-методических документов ГКЗ МПР РФ [10, 37, 42]. На Русской платформе расположены Центральное, Кирсановское, Лукоянов-ское, Новозыбковское, Унечское, Бешпагирское и др. месторождения; Западно-Сибирской плите - Туганское, Тарское, Георгиевское, Ордынское и др.
Месторождения, по которым проводилась оценка экологической изученности, приурочены к различным геолого-структурным условиям. Сложность строения месторождений и отнесение к одной из групп по классификации ГКЗ определяются по следующим геологическим, инженерно-геологическим и гидрогеологическим показателям: выдержанность и мощность рудного пласта, вариации содержаний полезных компонентов, глубина залегания рудных тел и др.
Глубина залегания рудного пласта является определяющим фактором при выборе способа разработки россыпного месторождения: открытый (карьерный) способ или скважинная гидродобыча (СГД). Именно способ разработки будет определять степень и характер техногенного влияния на окружающую среду.
Оценка исходного состояния окружающей среды района месторождения включает характеристику климатических, геологических, инженерно-геологических, гидрогеологических, геохимических, ландшафтных и других факторов, природных и антропогенных объектов и влияние на них действующих и завершенных производств. Для предварительной эколого-геохимической оценки месторождений, руд и минералов следует руководствоваться показателями геотоксичности элементов, позволяющими учитывать степень их экологической опасности [28, 74].
Степень экологической изученности указанных титаноциркониевых россыпных месторождений весьма различна, т.к. они находятся на разной стадии геологической, технологической, экономической изученности. Но, тем не менее, по результатам предварительной технико-экономической оценки наиболее богатые из них и находящиеся в достаточно благоприятных горно-геологических условиях, на сегодняшний день являются наиболее перспективными для первоочередного освоения и создания на их базе горно-обогатительных предприятий по производству ильменитового, рутинового и цирконового концентратов (Центральное, Лукояновское, Ту-ганское, Тарское, Георгиевское — детально разведанные, учтенные Госба лансом РФ). Промышленные перспективы имеет также сравнительно крупное Ордынское месторождение — предварительно разведанное с крупными прогнозными ресурсами. Завершается разведка Бешпагирского месторождения и в ближайшем будущем в ГКЗ будут утверждаться его запасы [4, 5, 79, 80].
Глубина залегания рудных песков, определяющая мощность вскрышных пород, влияет на выбор способа добычи. Месторождения, залегающие на глубинах до 40 м и характеризующиеся коэффициентом вскрыши до 4:1, могут, как правило отрабатываться открытым (карьерным) способом. Более глубокозалегающие ( 40 м) — только методом скважин-ноЙ гидродобычи (СГД). На наиболее глубоко залегающих россыпях (Георгиевское — 154 м, Ордынское — 150 м, Тарское — 50 м) добычные работы предполагаются вести методом СГД. На Туганском и Лукояновском месторождениях основной объем добычи предполагается осуществлять карьером, только наиболее глубокие участки — СГД. На Центральном и верхнем горизонте Бешпагирского, где глубина залегания верхнего рудного пласта составляет 12-20 м, разработка предусматривается открытым способом. Эксплуатация нижнего горизонта первоочередного (Южного) участка Бешпагирского месторождения, приуроченного к водоносному горизонту на глубине около 40 м, предполагается к отработке способом гидродобычи [8, 12, 13].
Геоэкологические проблемы освоения титаноциркониевых россыпных месторождений и возможные способы их решения
Влияние геологоразведочных работ и промышленного освоения месторождения на окружающую среду, как упоминалось ранее, выражается в нарушении природного ландшафта территории, изменении состава поверхностных и подземных вод, загрязнении воздушного и водного бассейнов, выведении из хозяйственного оборота или снижении продуктивности плодородных земель и других негативных последствиях.
При этом необходимо отметить, что значимость указанных техногенных последствий разведки и промышленного освоения месторождений, в том числе и россыпных, весьма существенно возрастает в густонаселенных районах, т.е. экономические изменения в горнодобывающем районе определяют социально-демографические изменения, обуславливающие социальную напряженность в районе добычи. Социальная напряженность в той или иной степени будет присутствовать при разработке любого месторождения, но планирование и проведение горно-добывающих работ в густонаселенном районе предопределяет ее ведущую роль [3,4, 53].
Загрязнение приземной атмосферы при эксплуатации титаноцир-кониевых россыпей незначительно, поскольку буровзрывные работы, как правило, не проводятся, при применении способа СГД загрязнение атмосферы практически не наблюдается, при использовании гидротранспортировки песков загрязнение почти полностью отсутствует, технология переработки песков щадящая (использование «мокрого» обогащения) [51].
Почвенно-растительный слой. Все горнодобывающие и другие промышленные предприятия, деятельность которых связана с нарушением земной поверхности и почвенно-растительного покрова, согласно законодательству [44, 63, 64], обязаны за свой счет восстановить участки земли и передать в установленном порядке землепользователям.
Актуальность восстановления земель, исключенных из хозяйственного оборота, в различных регионах будет разная. В густонаселенных районах, где почвенный слой представлен плодородными черноземами, она будет наиболее высока. Ведущую роль среди природоохранных мероприятий будет иметь сокращение времени и объема изъятия этих земель. Именно этот фактор будет одним из основных, определяющим социальную напряженность в горно-добывающем районе, потому что при разработке месторождений временно, а в ряде случаев безвозвратно, изымаются колхозные поля, луга и выпасы или частные наделы, садово-огородные участки, ухудшается их экологическое состояние. Поэтому способ добычи россыпных рудных песков будет определять объем и время изъятия земель под эксплуатацию.
Рекультивация земель входит в комплекс мероприятий по охране окружающей среды, определяющий экологические изменения ОС под техногенным воздействием горнодобывающих работ в районе (охрана атмосферного воздуха, поверхностных и подземных вод, природного ландшафта, животного мира и растительности и др.). Среди природоохранных мер, как при горном способе добычи, так и СГД, рекультивация является наиболее капиталоемким мероприятием. Этот показано экономическими расчетами, выполненными различными организациями по титаноциркониевым россыпным месторождениям России (Тарское, Ордынское, Центральное, Бешпагир и др.) и Малышевскому м-нию на Украине [34, 77, 80, 85, 86, 87, 88]. В населенных районах с развитой инфраструктурой показатель стоимости капитальных вложений и эксплуатационных затрат на природоохранные мероприятия максимальный.
Анализ материалов по россыпям, отрабатываемым различными способами (горным и СГД), показывает, что природоохранные мероприятия, способствующие уменьшению влияния добычных работ на состояние земель, существенно отличаются не только по виду работ, но и по объему [71, 80, 85, 86, 87]. Так, например, при открытой отработке Центрального месторождения (как и любого, разрабатываемого карьером) наибольшее нарушение поч венно-растительного слоя будет связано непосредственно с добычным комплексом, а также с отвалами, производственными сооружениями, организованными свалками, автодорогами, насосными станциями и др.
Для сохранения почвенно-растительного покрова и потенциально плодородного подстилающего слоя производится их раздельное снятие и складирование в период подготовительных работ. Скорость продвижения этих подготовительных работ должна быть согласована со скоростью продвижения фронтов вскрышных работ в карьере, т.е. технология горно-технической рекультивации совмещается со вскрышными работами и является их составной частью. Складирование в бурты должно проводиться с учетом противо-эрозионных мероприятий, в том числе с регулярным поливом. Размещение буртов должно быть согласовано с планом оперативной горно-технической рекультивации [41, 75].
С целью сокращения времени и объема изымаемых из сельскохозяйственного оборота земель отвалы вскрыши и хвосты обогащения следует размещать в пределах отработанной части карьера (внутренние отвалы). В процессе формирования внутренних отвалов регулярно проводится неоднократная перепланировка их поверхности, т.к. происходит усадка отсыпанных вскрышных пород и изменение коэффициента разрыхления пород. Этот процесс продолжается 4-5 лет. Планировка поверхности бульдозерами производится с максимальным приближением к исходному природному рельефу участка; иногда возможно даже его улучшение за счет засыпания балок, оврагов, выравнивания склонов, как, к примеру, на Лукояновском месторождении (рис. 2.1).
Особенности использования способа скважиннои гидродобычи при освоении титаноциркониевых россыпей
Способ скважинной гидродобычи, наряду со скважинным подземным растворением (СПР) и скважинным подземным выщелачиванием (СПВ) относятся к нетрадиционным геотехнологическим способам добычи, хотя и известен с 1935 года.
Способ основан на физическом процессе — переведении полезного ископаемого в месте залегания в состояние гидросмеси и ее откачивании насосами через ствол скважины (рис. 3.1). Качество получаемого рудного продукта методом СГД имеет существенное отличие от продуктов, получаемых при традиционных (горных) способах добычи. Руда частично или полностью дезинтегрируется, поднимается на поверхность в виде пульпы, что позволяет сразу направлять ее на установки разделения, при этом в процессе СГД происходит самообогащение руды в пульповоде. Такая технология показывает, что дезинтегрированные руды требуют значительно меньших затрат при обогащении. Эти особенности технологии метода СГД исключают ряд операций непосредственно на обогатительной фабрике [1,2, 70].
Основные преимущества способа скважинной гидродобычи полезных ископаемых с больших глубин сводятся к следующему: - относительно низкие удельные капитальные вложения в строительство рудника СГД; - относительно низкий общий объем капитальных вложений (в 2-10 раз меньше, чем в строительство карьеров и шахт); - небольшой срок строительства предприятия (1-3 года); - сравнительно быстрая окупаемость капитальных вложений (2-4 года); - высокое качество получаемой продукции, что в ряде случаев не требует строительства традиционных обогатительных фабрик; - высокая производительность труда; - гибкость производства, объемы которого при прочих равных условиях можно изменять в широких пределах; - возможность отрабатывать небольшие месторождения и месторождения, характеризующиеся чрезвычайно сложными (для традиционных способов добычи) горно-геологическими условиями; - высокая безопасность добычных работ, исключающих присутствие людей в очистном производстве; - возможность работы вахтовым способом ввиду незначительного числа людей, занятых на добычном комплексе (от десятков до первых сотен человек); - относительно низкое негативное воздействие на окружающую среду.
В последние годы многие специалисты обратили свое внимание на проблему расширенного применения способов скважиннои гидротехнологии, в том числе и на титаноциркониевых россыпях [7, 12, 34, 52, 56t 59 и др.]. Но анализ этих исследований показывает, что в приведенных работах уделяется сравнительно мало внимания экологическому аспекту использования способов скважиннои добычи, особенно в густонаселенных районах, где объем потенциального ущерба и затраты на природоохранные мероприятия будут составлять весьма солидную часть от эксплуатационных и капитальных затрат, необходимых для промышленного освоения месторождения [33, 40].
В связи с этим основное внимание данной работы было сосредоточено на преимуществах способа скважиннои гидродобычи как более экологически «чистом» по сравнению с традиционными (горными). Методы сравнивались по экологическим параметрам, определяющим также экономические затраты на защитные мероприятия по охране окружающей среды.
Способ СГД позволяет эффективно, с минимальным экологическим ущербом и наименьшими экономическими затратами на его возмещение, разрабатывать мелкие месторождения и мелкие рудные тела, дорабатывать запасы за контурами карьеров и шахт, извлекать забалансовые запасы, отра 96 батывать месторождения и рудные тела, залегающие на большой глубине или характеризующиеся сложными гор но-геологи чески ми условиями отработки, в т.ч. обводненные, под поверхностью рек, озер, в болотистых местностях [8].
На сегодняшний день с высоким экономическим эффектом и минимальным техногенным воздействием проведены опытные и опытно-промышленные работы способом СГД на ряде россыпных титаноциркониевых месторождений: в России — на Туганском и Георгиевском месторождениях в Томской области, Ордынском в Новосибирской, Тарском в Омской, Лукоя-новском в Нижегородской, Унечском месторождении в Брянской области, на Украине - на Малышевском месторождении. Глубина залегания рудных песков 40-160 м при мощности от 2 до 10 м; содержание глины в песках не должно превышать 3,0-3,5%.
Практикой работ и расчетами ученьгх США, России, Югославии, Венгрии, Индии и др. стран [34, 56, 57, 67, 77] показано, что отработка месторождений способами скважинной технологии экологически чище и экономически выгоднее начиная (в среднем) с глубины 25-35 м.
Ввиду значительно меньших инвестиций на освоение способом скважинной технологии (по сравнению с горными способами) ряд месторождений с бедными и(или) забалансовыми рудами могут быть переведены в разряд промышленных; это положение справедливо и для россыпных месторождений.
Значимость и соотношение экономического и экологического факторов при отработке, в том числе и методом СГД, в любых регионах носит достаточно постоянный характер. Но в условиях плотной заселенности горнодобывающего района роль экологического фактора существенно повышается, что связано с увеличением затрат на виды и объемы работ, наносящих экологический ущерб окружающей среде.
Прогнозная оценка деформации земной поверхности при применении способа СГД
Опыт применения СГД на аналогичных титаноциркониевых россыпных месторождениях, рассматриваемых в данной работе, показал, что при извлечении продуктивных песков происходило сдвижение земной поверхности с формированием разнообразных по форме углублений с гребнеобразной поверхностью дна, размеры которых как по площади, так и глубине существенно различались между собой.
При проведении опытно-промышленных работ в 2003 г. на Левобережном участке Тарского месторождения установлена тенденция к смещению и проседанию пород даже при добыче рудных песков с большой глубины - 50 м и более. При отработке рудного пласта мощностью от 1 до 13 м через неделю после прекращения добычи на месте отработанных скважин появлялись провалы диаметром от 7 до 10 метров и глубиной до 3 метров.
На Филипповском участке Ордынского месторождения рудные пески залегают на существенно большей глубине (до 170 м), в разрезе иадрудной части его преобладают плотные глины и суглинки (до 70-75%), поэтому по расчетам при добыче рудных песков вблизи эксплуатационных скважин образование мульд, проседание и деформирование земной поверхности маловероятно, а за время эксплуатации участка величина просадки составит первые сантиметры [83].
По опыту работ, конечная глубина просадки вокруг скважины часто равна примерно половине мощности горизонта рудных песков, а радиус просадки (средний размер эффективного радиуса влияния скважины) соответствует радиусу камеры размыва [1, 2].
Приведенные данные по деформации земной поверхности в результате опытной и опытно-промышленной отработки Тарского и Ордынского месторождений (по эксплуатационным скважинам) позволяют поставить задачу по расчету объема деформации земной поверхности с целью определения объема пород в целом по месторождению (участку, полигону), необходимых для рекультивации деформированного пространства.
В предпроектных работах по этим месторождениям [80, 85] предлагается одинаковая формула подсчета площади поверхностных нарушений несмотря на то, что горно-геологические условия месторождений имеют весьма существенные отличия: парі hcpi{\ n) $эф р. _ ГОдовая площадь нарушенных земель, Q; — объем добычи в год (млн. м3), Р — разубоживание 10% (0,1), п — потери в недрах 30% (0,3), hcp.i - средняя мощность продуктивного горизонта (м), для данного года добычи.
Данная формула подсчета площади нарушений поверхности не учитывает глубину проседания земной поверхности. Опыт работ с применением метода СГД на ряде упомянутых выше россыпных месторождений показывает, что размеры нарушений поверхности, глубина воронки и форма ее контуров зависит не только от объема добычи, мощности продуктивного пласта и потерь, но также от: - глубины залегания продуктивных песков (Щ (рис. 4.1а), - суммарной мощности компетентных геологических слоев надрудной толщи, отличных по составу и свойствам (известняков, глин, песчаников и др.) ЦХс.,) (рис. 4.16).
Зависимость от мощности рудного горизонта (hcp,i) приведена на рис. 4.1в.
Глубину деформации поверхности можно рассчитать по следующей предлагаемой формуле, в которой учитывается геологическая неоднородность массива: hcp.i — средняя мощность продуктивного горизонта, //, — глубина залегания рудного пласта с учетом его мощности, Died - суммарная мощность компетентных геологических слоев. Нарушенную площадь полигона в целом за все время его отработки можно рассчитать по предлагаемой формуле:
