Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние и обзор изученности проблем в горнотехнической рекультивации земель 11
1.1 .Характеристика производственной деятельности и геологического строения карьерных полей разрезов Канско-Ачинского угольного бассейна 11
1.2. Анализ производственного опыта в рекультивации земель на разрезах Канско-Ачинского угольного бассейна 14
1.3. Анализ проектных решений по формированию технологий рекультивации земель 25
1.4. Анализ научных работ в области рекультивации земель при разработке угольных месторождений открытым способом 29
1.5. Результаты полевых работ по исследованию геоэкологических показателей локальных ландшафтов, созданных на породных отвалах 38
1.6. Цель, задачи и методы исследований 48
Глава 2. Научно-методические основы прогнозирования изменения качественных показателей формируемого почвенного слоя условиях совмещения рекультивационных и вскрышных работ 50
2.1. Горно-геологическая характеристика перспективных полигонов снятия почвенных слоев на месторождениях Канско-Ачинского угольного бассейна 50
2.2. Методика подсчета запасов, прогнозирования и исследования изменения качественных показателей почвенного слоя, формируемого для рекультивации породных отвалов 62
2.3. Результаты исследования изменения качественных показателей формируемого почвенного слоя в условиях совмещения
вскрышных и рекультивационных работ 74
2.4. Результаты исследования изменения качественных показателей формируемого почвенного слоя при отработке сложно-структурных пластовых залежей почвенных слоев 84
Выводы 90
Глава 3 Исследование качественных показателей формируемого почвенного слоя в условиях совмещения горнотехнической рекультивации земель с производством вскрышных работ 92
3.1. Исследование изменения качественных показателей почвенного слоя при его концентрации в контурах экскаваторных заходок 92
3.2. Исследование влияния применения систем управления качеством на изменение качественных показателей формируемого почвенного слоя при его концентрации в контурах экскаваторных заходок 108
3.3. Исследование влияния опережающей отработки верхнейцен тральной части экскаваторного забоя на качественные поазатели формируемого почвенного слоя 112
3.4. Обоснование порядка снятия и мест размещения временных складов почвенного слоя при раскройке карьерных полей на выемочные блоки 118
Выводы
Глава 4. Разработка и эколого-экономическая оценка рекомендаций по проведению горнотехнической рекультивации при создании почвенного слоя культурных ландшафтов 132
4.1. Обоснование технологии горнотехнической рекультивации, комплексно обеспечивающей эколого-экономическую эффективность обустраиваемых культурных ландшафтов 132
4.2. Разработка рекомендаций по проектированию технологий горнотехнической рекультивации земель для разрезов Канско-Ачинского угольного бассейна 142
4.3. Обоснование технологий горнотехнической рекультивации земель для разрезов «Бородинский» и «Переясловский» 151
Выводы 161
Заключение 162
Список литературы
- Анализ проектных решений по формированию технологий рекультивации земель
- Методика подсчета запасов, прогнозирования и исследования изменения качественных показателей почвенного слоя, формируемого для рекультивации породных отвалов
- Исследование влияния применения систем управления качеством на изменение качественных показателей формируемого почвенного слоя при его концентрации в контурах экскаваторных заходок
- Разработка рекомендаций по проектированию технологий горнотехнической рекультивации земель для разрезов Канско-Ачинского угольного бассейна
Введение к работе
Актуальность работы. В 70-90-е гг. прошлого столетия в горном деле получает развитие новое направление хозяйственной деятельности с учетом устойчивого развития общества. К настоящему времени это направление оформилось как «Экологически безопасные, ресурсосберегающие производственные технологии». Это научное направление базируется на трудах академиков РАН В.В. Ржевского и К.Н. Трубецкого, докторов технических наук П.И. Томакова, К.Е. Винницкого, В.А. Галкина, А.М. Демина, В.В. Истомина, А.П. Красавина, М.Е. Певзнера, И.М. Ялтанца, А.Д. Рубана, В.С. Коваленко, М.А. Ревазова, В.А. Харченко, И.М. Щадова, Е.Л. Счастливцева, Ю.М. Овешникова, Н.Н. Чаплыгина, И.В. Зенькова и др. В этом направлении работают научные школы ИПКОН РАН, МГГУ, НИИОГР, ИГД им. А.А. Скочинского, ВНИИОСуголь и др.
В исследованиях просматривается стремление повысить экономическую эффективность горных работ и параллельно снизить их негативное влияние на окружающую природную среду. Вместе с тем, в научном направлении «создание технологий горнотехнической рекультивации земель в условиях их совмещения с производством вскрышных работ» недостаточно изучено прогнозирование комплексных показателей формируемого почвенного слоя для рекультивации породных отвалов и продуктивности земель культурных ландшафтов на основе устанавливаемых природных закономерностей изменения мощности плодородного слоя почвы (ПСП) и потенциально плодородных пород (ППП) в увязке с технологиями ведения вскрышных работ и отвалообразования.
К настоящему времени на крупных разрезах Канско-Ачинского угольного бассейна актуальным становится разработка технологий горнотехнической рекультивации, обеспечивающих высокую продуктивность земель восстанавливаемых культурных ландшафтов и одновременное снижение затрат на ее проведение. Таким требованиям, на наш взгляд, удовлетворяют технологии горнотехнической рекультивации, в которых имеется возможность совмещения работ по формированию почвенного слоя для нанесения его на поверхности породных отвалов с производством вскрышных работ, выполняемых основным горнотранспортным оборудованием.
Целью работы является обоснование технологий горнотехнической рекультивации земель, в которых комплексно обеспечиваются высокие экологические показатели культурных ландшафтов на породных отвалах угольных разрезов и снижение затрат на их обустройство.
Основная идея работы заключается в том, что высокие эколого- экономические показатели рекультивации породных отвалов достигаются за счет нанесения на них почвенного слоя, сформированного при концентрации ПСП в границах карьерного поля и селективной отработке верхнего вскрышного уступа основным горно-транспортным оборудованием в увязке с послойной отсыпкой отвалов.
Методы исследования. Для достижения поставленной цели использованы: анализ и обобщение данных научно-технической литературы по исследуемому направлению; моделирование и математическое описание процессов; горно-геометрический анализ, аналитический и графо-аналитический методы в исследовании изменения качественных и количественных показателей ПСП; метод оптимизации альтернативных графов при обосновании порядка отработки полигонов снятия ПСП; технико-экономический анализ и др.
Задачи исследований:
-
Провести полевые работы по определению качественных показателей земель и их продуктивности на созданных культурных ландшафтах.
-
Выявить природные закономерности пространственного расположения почвенных слоев на территории горных отводов разрезов.
-
Сделать прогнозные оценки изменения качественных характеристик почвенного слоя, формируемого в ходе горнотехнической рекультивации для его нанесения на породные отвалы.
-
Обосновать технологии горнотехнической рекультивации, обеспечивающие эколого-экономическую эффективность, с позиции их совмещения с комплексом вскрышных работ.
-
Разработать технологии горнотехнической рекультивации земель адаптированные к разрезам Канско-Ачинского бассейна и провести экономическое обоснование их совмещения с производством вскрышных работ.
Научные положения, представленные к защите:
-
-
Прогнозирование качественных показателей почвенной смеси, формируемой в горнотехнической рекультивации земель при совмещении с отработкой верхнего вскрышного уступа, должно основываться на устанавливаемом в границах карьерных полей изменении мощности продуктивных почвенных слоев в диапазоне 0,25-1,3 м с содержанием гумуса в диапазоне 0,6-10 %.
-
Оценку результатов горнотехнического этапа рекультивации земель при совмещении его с производством вскрышных и отвальных работ необходимо производить на основе прогнозирования изменения содержания гумуса и глинистых фракций в формируемой почвенной смеси в зависимости от высоты верхнего вскрышного уступа и степени изменчивости почвенных слоев на территории месторождения, а также с учетом потерь почв при их размещении в отвале на глубине, недоступной для корневых систем растительности.
-
Высокая продуктивность земель породных отвалов и снижение затрат на их рекультивацию достигается за счет нанесения на их поверхность почвенного слоя, сформированного в технологиях горнотехнической рекультивации земель путем концентрации плодородного слоя почвы в контурах экскаваторных заходок по верхнему вскрышному уступу, селективной его отработки, а также на основе обоснования мест размещения временных складов ПСП в границах карьерного поля, в увязке с послойной отсыпкой отвалов.
Научная новизна:
1. Выявлены особенности пространственного изменения мощности потенциально-плодородных пород на территории разрабатываемых месторождений Канско-Ачинского угольного бассейна в диапазоне 0,3-1,3 м. Установленное изменение мощности ППП определяемое постоянными, экспоненциальными и логарифмическими функциями детализирует информацию о вариации потенциально-плодородных пород и является важнейшей составляющей геоинформационной базы в прогнозировании изменения качественных показателей формируемого почвенного слоя для нанесения его на породные отвалы при совмещении работ по горнотехнической рекультивации земель с производством вскрышных работ.
-
-
-
Раскрыт и обоснован характер изменения качественных показателей почвенного слоя, формируемого при совмещении работ по горнотехнической рекультивации с комплексом вскрышных работ, с учетом пространственного изменения мощности ПСП и ППП, в зависимости от высоты отрабатываемого вскрышного уступа и степени изменчивости почвенных слоев.
-
На основе прогнозирования продуктивности почвенного слоя, наносимого на породные отвалы, разработан новый системный подход к формированию технологий горнотехнической рекультивации земель, который, в отличие от существующих подходов, позволяет формировать рекультивационный почвенный слой путем концентрации ПСП в границах карьерного поля, экскавации и селективной укладки в отвал почвенной смеси, состоящей из ПСП, ППП и суглинков верхнего вскрышного уступа и обеспечивает значительное снижение затрат на обустройство культурных ландшафтов.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций работы подтверждается высокой сходимостью результатов теоретических исследований с результатами полевых исследований, проведенных на территориях рекультивированных отвалов; корректным использованием математического аппарата и основных положений теории статистики; использованием результатов исследований в хозяйственной практике; результатами проведенного эксперимента по снятию ПСП на разрезе «Бородинский».
Научное значение работы заключается в обосновании значимости установленных зависимостей изменения качественных показателей почвенного слоя, формируемого в горнотехнической рекультивации земель при ее совмещении с производством вскрышных работ, от мощности плодородного слоя почвы и потенциально-плодородных пород, находящихся в естественном природном состоянии на территории разрабатываемых месторождений при обосновании технологий горнотехнической рекультивации, обеспечивающих высокую продуктивность земель культурных ландшафтов и снижение затрат на их обустройство.
Практическое значение работы заключается в создании методики прогнозирования качественных показателей почвенного слоя, формируемого для нанесения его на породные отвалы в условиях совмещения работ по горнотехнической рекультивации с производством вскрышных работ в зависимости от пространственного изменения его мощности и высоты вскрышного уступа; в обосновании структур комплексной механизации работ по проведению горнотехнической рекультивации нарушенных земель при ее совмещении с производством вскрышных работ, обеспечивающей высокие экологические показатели культурных ландшафтов и снижение затрат на их обустройство.
Реализация результатов работы. Результаты исследований используются в ООО «Управление проектных работ» (г. Красноярск) при проектировании технологий рекультивации земель для ОАО «СУЭК-Красноярск», в учебном процессе в «Сибирском федеральном университете» при подготовке магистров по направлению «Экология и природопользование».
Материалы исследований вошли составной частью в сборник научно- методических материалов Всероссийской конференции «Разработка комплекса технологий рекультивации техногенно нарушенных земель», проводимой Кемеровским государственным сельскохозяйственным институтом в 2011 г. в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России».
Апробация работы. Результаты работы докладывались на Международных и Всероссийских научно-практических конференциях: «Энергетическая безопасность России: новые подходы к развитию угольной промышленности» (Кемерово, 2011); «Разработка комплекса технологий рекультивации техногенно нарушенных земель» (Кемерово, 2011), «Современные технологии освоения минеральных ресурсов» (Красноярск, 2011, 2012), «Наукоёмкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов» (Новокузнецк, 2012).
Личный вклад автора. Диссертационная работа явилась результатом многолетних комплексных исследований, проведенных на территории разрабатываемых месторождений Канско-Ачинского угольного бассейна. Автором сформулированы основные идеи исследований и принималось непосредственное участие в организации и проведении исследований на базе ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» и ОАО «СУЭК-Красноярск».
Публикации. По материалам исследований опубликовано 17 статей (из них 8 в изданиях ВАК), 1 монография.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 172 наименований, приложений и включает 87 рисунков и 38 таблиц. Общий объем работы 182 страницы.
Автор выражает благодарность научному консультанту И.В. Зенькову за советы и консультации при подготовке диссертации.
Автор также благодарит коллег и ученых, работавших вместе с ним над исследованием проблем, которым посвящена настоящая работа.
Анализ проектных решений по формированию технологий рекультивации земель
Сосна, ель и клен высажены на поверхности внутренних отвалов и их откосах, выположенных под углом 18-20. Возраст культур деревьев находится в диапазоне от 4-5 до 38-40 лет. Лесные культуры высажены на большей площади без нанесения ПСП, и на незначительной площади - с его нанесением. Кроме того, откосы отвалов подвержены активному самозарастанию, чему способствует ветровой перенос семян-крыльчаток древесно-кустарниковых пород со стороны природных ландшафтов, граничащих с отвалами угольного разреза.
Водохозяйственное направление. На отработанной части буроугольных месторождений в локальных карьерных выемках создают техногенные водоемы площадью от 1,5 га до 10 га (рис. 1.4). Возраст водоемов составляет от 20 до 50 лет.
Техногенные водоемы на территории отработанной части Ирша-Бородинского буроугольного месторождения Питание водоемов происходит за счет подземных вод, а также за счет поверхностных дождевых и талых снеговых вод. Технологические решения в проведении горнотехнической рекультивации земель сельскохозяйственного назначения
В СССР в горнодобывающей отрасли на разрезах плодородный слой почвы (далее ПСП) вместе с породой верхнего вскрышного уступа вывозили в отвалы, независимо от глубины размещения [45]. Общеизвестно, что почвенная оболочка является основой земледелия [31]. Такой подход способствовал уничтожению значительных площадей продуктивных сельскохозяйственных угодий. Эта ситуация была исправлена путем начала работ по рекультивации нарушенных земель практически на всех горных предприятиях в 1970 году. С этого момента начинается эволюция в теории и практике в совершенно новом направлении хозяйственной деятельности в недропользовании [87]. На снятии ПСП, начиная с 1970 г. на протяжении почти 40 лет применяется бульдозерная техника - С-100 в начале периода, а в настоящее время тяжелые бульдозеры типа ДЭТ-250 и их зарубежные аналоги (рис. 1.5). Бульдозеры и бульдозеры-рыхлители - основное оборудование, которое используется на различных операциях горнотехнического этапа рекультивации. Работа бульдозеров, как правило, не связана жестко с другими выемочными и транспортными машинами в технологической цепочке: снятие, погрузка, транспортирование, складирование и укладка ПСП на подготовленные участки отвалов. На крупных разрезах Красноярского края плодородный слой почвы снимается с опережением, как правило, за несколько (5-7) лет до подхода горных работ к буртам ПСП. Почвенный слой, снимаемый бульдозером, укладывают в бурты высотой 2,5-3,0 м, из которых его впоследствии отгружают гидравлическим экскаваторами типа «обратная лопата» с емкостью ковша 1,2-1,5 м в автомобильный транспорт (рис. 1.6). Почвенный слой, транспортируемый в автосамосвалах грузоподъемностью 18-25 т, размещают во временных компактных по площади складах высотой 8-10 м. Далее ПСП из временных складов отгружают карьерными экскаваторами с емкостью ковша 6,3-12,5 м3 (рис. 1.7). На крупных разрезах ПСП вывозится адресно на промежуточные склады или до мест его нанесения в железнодорожных думпкарах 2ВС-105, задействованных как основное транспортное звено на вскрышных работах, либо автосамосвалами БелАЗ грузоподъемностью 55 т. На разравнивании и планировке ПСП на отвалах также применяют тяжелые бульдозеры [123].
Итак, на первом - предварительном этапе - на поверхности внешних отвалов обследовано 74 почвенных участков суммарной площадью 23 га. Тем самым была сформирована 10 % выборка согласно основным положениям по планированию статистических выборочных наблюдений [85, 119].
На втором этапе проводился комплекс полевых работ. На выделенных почвенных участках, вошедших в выборку, прокладывались маршрутные ходы, вдоль которых по известным методикам в соответствии с отраслевыми рекомендациями составлялись объединенные почвенные пробы [34, 37, 132]. В соответствии с [37] объединенная проба составляется из 30 точечных проб и отбирается с каждого гектара рекультивированной поверхности согласно ГОСТ 28168-89 и ГОСТ 17.4.4.02-84. Для выявления общей картины нанесенного почвенного слоя сделаны приколы, вертикальные сечения которых представлены нарис. 1.8.
Измерения мощности нанесенного почвенного слоя в диапазоне 35-40 см показали ее соответствие техническим условиям под пашню. Кроме этого, были выявлены участки с мощностью нанесенного ПСП на уровне 10-25 см, что не соответствует техническим условиям сдачи земель под пашню (рис. 1.8 справа). Площадь поверхности отвалов с мощностью нанесенного ПСП 35-40 см составляет 61 % от общей площади рекультивированной поверхности. Оставшиеся 39 % площади приходятся на участки с мощностью ПСП от 15 до 25 см.
Пестрота плоскостей разрезов (рис. 1.8) говорит о значительном засорении нанесенного плодородного слоя почвы (ПСП) подстилающими вскрышными породами. Такое засорение возникает за счет применения несовершенных технологий снятия почвенного слоя на техническом этапе рекультивации. В результате применения тяжелых бульдозеров на снятии почвенных слоев происходит при 22 резка нижележащих почвенных слоев ППП, засоряющих ПСП и снижающих в целом уровень агрохимических показателей последнего.
На третьем этапе, в ходе лабораторных исследований, определялись агрохимические показатели почв: органическое вещество (гумус), подвижные соединения фосфора и калия, емкость катионного обмена, валовые фосфор и калий, нитратный азот, аммонийный азот, общий азот, рН (КС1), определялись в соответствии с ГОСТ 26213-91, ГОСТ 26204-91, ГОСТ 26205-91, ГОСТ 17.4.4.01-84, ГОСТ 26261 -84, ГОСТ 26488-85, ГОСТ 26489-85, ГОСТ 26107-84, ГОСТ 26483-85. В отобранных почвенных образцах определялась концентрация тяжелых металлов-токсикантов. Основные показатели представлены в табл. 1.1.
Методика подсчета запасов, прогнозирования и исследования изменения качественных показателей почвенного слоя, формируемого для рекультивации породных отвалов
При изменяющейся конфигурации залежи ПСП и 111111 по глубине по схеме Т-1 установим вариацию показателей сформированного почвенного слоя. Площадь, на которой будет производиться формирование почвенного слоя, принимается равной 1 га.
При мощности ПСП, равной 0,25 м, т.е. в случае расположения в границах вскрышной заходки плодородного слоя почвы на уровне 2,5 тыс. м3 и объема потенциально плодородных пород на уровне 3,8 тыс. м3 содержание глинистых фракций в формируемом почвенном слое увеличивается с 63,5 до 65 %, а содержание гумуса, наоборот, уменьшается с 0,37 до 0,18 %.
При мощности ПСП, равной 0,4 м, т.е. в случае соотношения в границах вскрышной заходки плодородного слоя почвы на уровне 4,0 тыс. м3 и объема потенциально плодородных пород на уровне 5,6 тыс. м3 содержание глинистых фракций в формируемом почвенном слое увеличивается с 62,2 до 63,8 %, а содержание гумуса, наоборот, уменьшается с 0,6 до 0,31 %.
При мощности ПСП, равной 0,5 м, т.е. в случае соотношения в границах вскрышной заходки плодородного слоя почвы на уровне 5,0 тыс. м3 и объема потенциально плодородных пород на уровне 7,1 тыс. м3 содержание глинистых фракций в формируемом почвенном слое увеличивается с 61,3 до 62,8 %, а содержание гумуса, наоборот, уменьшается с 0,7 до 0,37 %.
При мощности ПСП, равной 0,6 м, т.е. в случае соотношения в границах вскрышной заходки плодородного слоя почвы на уровне 6,0 тыс. м и объема потенциально плодородных пород на уровне 10,2 тыс. м3 содержание глинистых фракций в формируемом почвенном слое увеличивается с 60,5 до 61,0 %, а содержание гумуса, наоборот, уменьшается в верхнем слое с 0,81 до 0,42 %.
На графиках видна явная тенденция - с изменением соотношения в структуре формируемого почвенного слоя ПСП и ППП в сторону уменьшения их объемов, что связано с изменением высоты уступа с 6 до 12 м, увеличивается содержание глинистых фракций в среднем на 0,5-1,5 %, а содержание гумуса, наоборот, уменьшается на 0,19-0,39 %.
Напомним, что все графики построены по существующим технологическим схемам отработки вскрышных уступов валовым способом с учетом вариации мощности ПСП и без учета технологических приемов, позволяющих улучшить качество формируемого почвенного слоя.
Проанализируем изменение качественных показателей формируемого почвенного слоя в результате отработки верхнего вскрышного уступа при изменяющейся конфигурации залежи ПСП и ППП по глубине по схеме Т-2 и установим вариацию показателей сформированного почвенного слоя.
При изменении мощности пластовых залежей ПСП и ППП, описываемом экспоненциальными функциями, с размерами фигур hxR, равными 0,2-0,25х 10-12,5, т.е. в случае соотношения в границах вскрышной заходки плодородного слоя почвы на уровне 5,2 тыс. м3 и объема потенциально плодородных пород на уровне 9,8 тыс. м содержание глинистых фракций в формируемом почвенном слое увеличивается с 61 до 62,5 %, а содержание гумуса, наоборот, уменьшается в верхнем слое с 0,49 до 0,27 %.
При изменении мощности пластовых залежей ПСП и ППП, описываемом экспоненциальными функциями, с размерами фигур hxR, равными 0,25-0,3x12,5-15, т.е. в случае соотношения в границах вскрышной заходки плодо-родного слоя почвы на уровне 4,6 тыс. м и объема потенциально плодородных пород на уровне 6,3 тыс. м содержание глинистых фракций в формируемом почвенном слое увеличивается с 62 до 63,5 %, а содержание гумуса, наоборот, уменьшается в верхнем слое с 0,47 до 0,25 %.
При изменении мощности пластовых залежей ПСП и ППП, описываемом экспоненциальными функциями, с размерами фигур hxR, равными 0,3-0,35 х 15-17,5, т.е. в случае соотношения в границах вскрышной заходки плодородного слоя почвы на уровне 4,0 тыс. м и объема потенциально плодородных пород на уровне 5,5 тыс. м содержание глинистых фракций в формируемом почвенном слое увеличивается с 63 до 64,5 %, а содержание гумуса, наоборот, уменьшается в верхнем слое с 0,45 до 0,23 %.
При изменении мощности пластовых залежей ПСП и ППП, описываемом экспоненциальными функциями, с размерами фигур hxR, равными 0,35-0,4x17,5-20, т.е. в случае соотношения в границах вскрышной заходки плодородного слоя почвы на уровне 3,4 тыс. м3 и объема потенциально плодородных пород на уровне 4,6 тыс. м содержание глинистых фракций в формируемом почвенном слое увеличивается с 64 до 65,5 %, а содержание гумуса, наоборот, уменьшается в верхнем слое с 0,41 до 0,21 %.
При изменяющейся конфигурации залежи ПСП по глубине по схеме Т-3 установим вариацию основных качественных показателей снятого ПСП.
При изменении мощности пластовых залежей ПСП и ППП, описываемом логарифмическими функциями, с размерами фигур hxR, равными 0,2-0,25x10-12,5, т.е. в случае соотношения в границах вскрышной заходки плодородного слоя почвы на уровне 4,6 тыс. м и объема потенциально плодородных пород на уровне 8,7 тыс. м содержание глинистых фракций в формируемом почвенном слое увеличивается с 61,6 до 63 %, а содержание гумуса, наоборот, уменьшается в верхнем слое с 0,44 до 0,2 %.
При изменении мощности пластовых залежей ПСП и ППП, описываемом логарифмическими функциями, с размерами фигур hxR, равными 0,25-0,3x12,5-15, т.е. в случае соотношения в границах вскрышной заходки плодо-родного слоя почвы на уровне 4,0 тыс. м и объема потенциально плодородных пород на уровне 5,6 тыс. м содержание глинистых фракций в формируемом почвенном слое увеличивается с 62,3 до 64 %, а содержание гумуса, наоборот, уменьшается в верхнем слое с 0,42 до 0,19 %.
При изменении мощности пластовых залежей ПСП и ППП, описываемом логарифмическими функциями, с размерами фигур hxR, равными 0,3-0,35x15-17,5, т.е. в случае соотношения в границах вскрышной заходки плодородного слоя почвы на уровне 3,6 тыс. м и объема потенциально плодородных пород на уровне 4,4 тыс. м содержание глинистых фракций в формируемом почвенном слое увеличивается с 63,2 до 65 %, а содержание гумуса, наоборот, уменьшается в верхнем слое с 0,4 до 0,18 %. При изменении мощности пластовых залежей ПСП и ППП, описываемом логарифмическими функциями, с размерами фигур hxR, равными 0,35-0,4x17,5-20, т.е. в случае соотношения в границах вскрышной заходки плодородного слоя почвы на уровне 3,0 тыс. м3 и объема потенциально плодородных пород на уровне 3,9 тыс. м содержание глинистых фракций в формируемом почвенном слое увеличивается с 64,2 до 66 %, а содержание гумуса, наоборот, уменьшается в верхнем слое с 0,38 до 0,17 %. Итак, результаты моделирования формирования почвенного слоя в условиях совмещения работ по горнотехнической рекультивации с производством вскрышных работ, полученные для всего диапазона изменения мощности ПСП и ППП, а также для отдельно взятых основных форм распространения залежи по глубине (Т-1) и их возможных комбинаций (Т-2, Т-3), указали на наличие следующих тенденций в изменении качественных показателей формируемого почвенного слоя: - содержание гумуса в среднем находится на уровне 0,2-0,7 % и не превышает 1,0 % при содержании глинистых фракций на уровне 60-65 %; - с увеличением высоты отрабатываемого вскрышного уступа содержание гумуса в формируемом почвенном слое уменьшается, а содержание глинистых фракций, наоборот, увеличивается; - на содержание гумуса и глинистых фракций в структуре сформированного почвенного слоя оказывает влияние степень изменчивости пластовых залежей ПСП и 111111 в границах вскрышной заходки. Кроме того, в ходе формирования почвенного слоя необходимо выявлять факторы, которые могут оказывать существенное влияние на изменение его качественных показателей и имеют разный генезис.
Исследование влияния применения систем управления качеством на изменение качественных показателей формируемого почвенного слоя при его концентрации в контурах экскаваторных заходок
Основными закономерностями, установленными в ходе поиска мест размещения временных складов ПСП, являются выводы о том, что увеличение количества секторов при раскройке карьерного поля с двух до пяти приводит к увеличению содержания гумуса и снижению глинистых фракций в формируемом почвенном слое при совмещении вскрышных работ с работами горнотехнического этапа рекультивации. Итоги моделирования результатов совмещения работ по горнотехнической рекультивации с выполнением вскрышных работ представлены в таблице 3.4. Установлено, что раскройкой карьерного поля на секторы в отдельных случаях обеспечивается необходимое, приемлемое соотношение объемов вскрыши, размещаемой на отвале выше и ниже горизонта установки экскаватора, при потерях ПСП, равных нулю.
В диссертационной работе почвенный слой, уложенный в отвал ниже 2 м от поверхности отвала, позиционируется как потери, поскольку его размещение ниже 2-х метровой отметки делает его недосягаемым для корневых систем дре 130 весно-кустарниковой растительности, которая будет произрастать на отвале (табл. 3.6).
Таблица 3.6 Технологические возможности формирования отвалов и потери ПСП при раскройке карьерного поля на секторы
Количество секторов Соотношение объемов вскрыши,размещаемой на отвале выше и ниже горизонтаустановки экскаватора Потери ПСП, %
Основным итогом поиска мест размещения временных складов ПСП, являются выводы о том, что увеличение количества секторов при раскройке карьерного поля с двух до пяти приводит к увеличению содержания гумуса и снижению глинистых фракций в формируемом почвенном слое при совмещении вскрышных работ с работами горнотехнического этапа рекультивации
Применение систем управления качеством на снятии ПСП бульдозером приводит к незначительному повышению содержания гумуса в формируемом почвенном слое в диапазоне 0,1-0,2 % и к снижению глинистых фракций на уровне 0,3-0,4 %, что говорит о нецелесообразности их применения для условий формирования почвенного слоя при совмещении работ по горнотехнической рекультивации с производством вскрышных работ.Весьма значимое увеличение содержания гумуса и снижение глинистых фракций в формируемом почвенном слое достигается за счет селективной отработки верхнего вскрышного уступа с опережающей выемкой верхней центральной части экскаваторного забоя с совместной выемкой объема суглинков, находящихся между плоскостью, образованной точками ввода ковша в забой и наклонной поверхностью временного склада ПСП. За счет увеличения удельного веса ПСП и 11Ш1 в структуре формируемого почвенного слоя в последнем увеличивается содержание гумуса до 2,5-3,0 % в сравнении с технологиями го-нотехнической рекультивации, совмещенными с производством вскрышных работ без использования технологических решений, направленных на улучшение качественных показателей формируемого почвенного слоя.
При формировании техногенной смеси для нанесения ее на поверхности породных отваов максимальный удельный вес ПСП в ее структуре обеспечивается при раскройке карьерного поля на пять выемочных блоков по схеме «с поверхности трех блоков снимаем ПСП, в границах четвертого блока формируем склад ПСП», что, в свою очередь, достигается за счет использования результатов научного обоснования рационального порядка подготовки почвенного слоя в горнотехнической рекультивации земель.
Обоснование технологии горнотехнической рекультивации, комплексно обеспечивающей эколого-экономическую эффективность обустраиваемых культурных ландшафтов В разработке технологий горнотехнической рекультивации, совмещаемой с производством вскрышных работ, при формировании почвенного слоя для нанесения его на породные отвалы использованы отдельные технологические решения. Системный подход к реализации последних позволит, на наш взгляд, значительно увеличить содержание гумуса и снизить концентрацию глинистых фракций в формируемом почвенном слое.
В разработке ресурсосберегающей технологии применим концентрацию ПСП в контурах вскрышных заходок, селективную отработку экскаваторного забоя с опережающей отработкой его верхней части. Формирование временных складов ПСП бульдозером будем производить из расчета раскройки карьерного поля на пять выемочных секторов.
Структура комплексной механизации при проведении горнотехнической рекультивации в условиях ее совмещения с производством вскрышных работ следующая: основное горно-транспортное оборудование, применяемое на снятии ПСП - бульдозер Komatsu D155A, на выемке и погрузке горной массы -карьерные мехлопаты типа ЭКГ-6,Зус; ЭКГ-10; ЭКГ-12,5 и на ее транспортировании - железнодорожные составы, включающие тепловозы ТЭМ-7 и думпкары 2ВС-105.Отсыпка вскрышных пород на отвале производится карьерным экскаватором ЭКГ-10.
Разравнивание гребней отвала и грубую планировку производят бульдозером Komatsu D155A, а чистовую планировку - автогрейдером ДЗ-98. Ресурсосберегающая технология горнотехнической рекультивации включает выполнение следующих этапов [62, 65, 68].
На первом этапе на территории горного отвода выносят контуры временных складов ПСП с учетом раскройки карьерного поля на пять секторов. На втором этапе бульдозером формируют временные склады ПСП высотой до 2 м и шириной по основанию 10-15 м. При снятии ПСП используют информацию об изменении мощности ПСП с целью формирования почвенного слоя с высоким содержанием гумуса в 1,5-2,0 раза относительно традиционных подходов, что возможно с использованием систем управления качеством. На третьем этапе производится селективная выемка горной массы из экскаваторного забоя верхнего вскрышного уступа. Селективная выемка предусматривает экскавацию суглинков, находящихся в границах экскаваторного забоя за контурами горизонтальной проекции основания временного склада ПСП и между основанием -подошвой уступа и горизонтальной плоскостью, определяющей высоту ввода ковша в забой при опережающей отработке его верхней части. Высота расположения горизонтальной плоскости, образуемой множеством точек ввода ковша в забой по вертикали, принимается равной 3,0 и 4,0 м для высоты экскаваторного забоя 6-8 и 10-12 м соответственно. Горная масса, отгружаемая экскаватором в думпкары с первого по шестой включительно, начиная с конца состава, представлена формируемым почвенным слоем, а в думпкары с седьмого по десятый - четвертичными отложениями. Отвальный экскаватор производит послойную, селективную укладку суглинков и сформированного почвенного слоя выше горизонта его установки. Далее бульдозером или экскаваторным скребком - насадкой на ковш производят грубую планировку гребней отвалов. Чистовую планировку производят автогрейдером. После проведения горнотехнического этапа проводят биологический этап рекультивации путем высадки лесных культур, кустарников и посева трав.
Разработка рекомендаций по проектированию технологий горнотехнической рекультивации земель для разрезов Канско-Ачинского угольного бассейна
На основе информации об изменении мощности пластовых залежей ПСП и 111111 в контурах горных отводов выделены участки с разнящимися характеристиками. Для разреза «Переясловский» на плане горных работ схематично показаны участки, на которых будет производиться снятие ПСП и участки внутренних отвалов, на которые будет нанесен сформированный почвенный слой (рис. 4.17, 4.18). На схеме горных работ в виде прямоугольника AiBiCiDi показаны контуры горного отвода разреза, в которых производят формирование почвенного слоя при отработке верхнего вскрышного уступа. В этих контурах в ходе полевых работ установлено изменение мощности ПСП. Используя вертикальные геологические сечения и информацию об изменении мощности ПСП и ППП, а также площади участков, рассчитывают объемы горной массы при отработке верхнего вскрышного уступа. Годовое подвигание фронта горных работ составляет 45-50 м, что соответствует ширине двух экскаваторных заходок. Снятие ПСП будем выполнять бульдозером, а размещение временных складов ПСП будем производить по схеме, предусматривающей деление фронта горных работ на пять блоков (рис. 4.16) [65, 66].
Технология ведения горных работ по отработке верхнего вскрышного уступа предусматривает селективную отработку экскаваторного забоя с принципиальным делением его на два сектора. В первом секторе производят выемку суглинков, а во втором - выемку ПСП, находящегося на кровле уступа в природном состоянии, а также временном складе, ППП и той части суглинков, объем которых не был удален при срабатывании первого сектора. Далее отгруженную горную массу транспортируют автосамосвалами БелАЗ-7555 через западный и восточный фланги на отвалы. Производят послойную отсыпку суглинков в отвальный ярус высотой 15-20 м, а сформированным почвенным слоем мощностью 2,0 м пере 156 крывают основной отвальный ярус. Далее поверхность отвала разравнивают бульдозером, а чистовую планировку проводят с использованием автогрейдера ДЗ-98. оранжевыми линиями и стрелками показаны направления транспортировки формируемого почвенного слоя на отвалы; - границы горного отвода, на территории которого про изводят формирование почвенного слоя; щ - контуры породных отвалов, на поверхность которых наносят почвенный слой, сформированный в ходе отработки верхнего вскрышного уступа
На рисунке 4.18 схематично показаны три сектора, в границах которого изменение мощности ПСП определяется установленными функциями. На территории западного сектора изменение мощности ПСП и ППП описывается экспоненциальными функциями в диапазоне 0,2-0,65 м. На территории восточного сектора изменение мощности почвенных слоев описывается логарифмическими функциями в диапазоне 0,25-0,55 м. На территории сек 157 тора чередования полос изменение мощности ПСП и 111111 описывается постоянными функциями в диапазоне 0,2-0,6 м.
Объем:- объем вскрышных работ, тыс. м3- снятия ПСП, тыс. м- погрузки и вывозки ПСП на склады хранения,тыс. м3- погрузки и вывозки ПСП из складов храненияна отвалы, тыс. м3- погрузки ПСП на отвале и вывозки его до местнанесения, тыс. м- планировки ПСП, тыс. м 668613057 3057305730572103 69920 41921050
Внедрение результатов диссертационного исследования на разрезе «Пере-ясловский» приведет к снижению затрат на проведение горнотехнического этапа рекультивации в размере 69,7 млн. руб. за период с 2011 по 2020 гг.
Высокое содержание гумуса в структуре формируемого почвенного слоя обусловливает высокую продуктивность земель создаваемых культурных ландшафтов. Культурные ландшафты, обладающие высокой продуктивностью земель на уровне 80-100 ц/га, обеспечивают вынос минеральной пыли с их поверхности в ветреную погоду в 3-4 раза меньше в отличие от ландшафтов с продуктивностью 50-60 ц/га.
Похожие диссертации на Обоснование технологий горнотехнической рекультивации земель при совмещении с производством вскрышных работ : на примере Канско-Ачинского угольного бассейна
-
-
-
