Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Разработка угольных месторождений открытым способом является доминирующей в добыче угля как за рубежом, так и в России, где ее доля достигает 70 % от общего объема добычи. Действующие угольные разрезы стремятся увеличить свои производственные мощности, совершенствуя конструктивные параметры вскрытия и систем разработки месторождений. Это ведет к значительному расширению размеров рабочей зоны разрезов, отчуждению больших площадей земель под горный, земельный отводы, обеспечивающих размещение технологических объектов открытой добычи угля в юридически закрепленных государством границах.
Развитие открытой добычи угля на разрезах сопровождается ростом адекватного давления на окружающую среду и природные ресурсы территорий горного, земельного отводов и проявляется далеко за их пределами. Оно заключается в нарушении значительных по площади целинных и агро-продуктивных земель, негативном изменении режима грунтовых и поверхностных вод, запылении лесных и сельскохозяйственных территорий, уничтожении ценных видов растительности, сокращении популяции многих видов животных и птиц и изменении естественного ареала их распространения. Результатами этих процессов являются значительные негативные изменения в литосфере, гидросфере, атмосфере, животном и растительном мире. Влияние открытой добычи угля велико в регионах с высокой концентрацией горных работ и особенно там, где угольные разрабатываемые месторождения расположены близко друг к другу. К таким регионам относятся, прежде всего, КАТЭК, Кузнецкий и Восточно-Сибирский угольные бассейны.
Так, Канско-Ачинский угольный бассейн, где формируется КАТЭК, расположен на старопахотной территории Центральной Сибири на землях тучных черноземов, мощность которых колеблется от 40 до 100 см. КАТЭК требует для своего развития 55 тыс.га, из которых половину занимают пашни. В настоящее время 8 % этой территории нарушено горнодобывающей промышленностью, еще 7 % почв подвержены сильной эрозии и дифляции от горных работ. Это земли сибирской житницы России. В Кузнецком угольном бассейне 40 % территории в той или иной форме нарушено горнохозяйственной деятельностью. Ее влияние отслеживается на прилегающих территориях и удаленных от районов открытой добычи угля.
Изучение антропогенных воздействий открытых горных работ на природную экосистему горнопромышленного района (ГПР), решение задач количественного и качественного описания проявлений техногенеза, моделирование антропогенных процессов в такой сложной природнотехниче-ской системе, как угледобывающий район, с развитием техники и техноло-
гии на разрезах еще более усложняется. Это диктует необходимость создать научные основы прогноза техногенеза, оценить характер нарушений природной среды и масштаб техногенеза в горнопромышленных районах открытой угледобычи, обосновать выбор рациональных, эффективных технологий использования технических, технологических, пространственных ресурсов при открытой добыче угля, обеспечить охрану окружающей среды и природных ресурсов.
Фундаментальные основы теории и практики экологии природной среды заложены в трудах выдающихся ученых академиков В. А. Вернадского, А. А. Докучаева, Л. В. Канторовича, В. С. Немчинова, А.С. Ферсмана. Применительно к горной отрасли их наследие раскрыто в трудах академиков Н.В. Мельникова, Н.Н. Мельникова, В.В. Ржевского, К.Н. Трубецкого, Е.И. Шемякина. Решением отдельных проблем и вопросов, связанных с оптимизацией технологических процессов открытой добычи полезных ископаемых, рекультивацией и восстановлением земель в зоне горных работ, занимались видные ученые А.И.Арсентьев, П.В.Бересневич, К.Е.Винниц-кий, В.А.Галкин, В.Д.Горлов, А.Ю.Дриженко, Е.А.Ельчанинов, С.А.Ильин, Б.А.Иванов, А.И.Коваленко, В.С.Коваленко, Н.Я.Лобанов, В.С.Литвиненко, Г.Г.Мирзаев, В.А.Мироненко, В.Н.Мосинец, А.М.Михайлов, М.Г.Новожилов, М.Е.Певзнер, В.А.Рогалев, П.И.Томаков, В.А.Харченко, А.А:Харио-новский, Г.А.Холодняков, В.С.Хохряков, А.В.Хохряков, Ю.В.Шувалов, М.И.Щадов и другие. Значительная роль в развитии исследований процессов открытой добычи угля, охраны природной среды в зоне открытых горных разработок угля принадлежит институту ВНИИОСуголь, его организатору и директору проф., д.т.н. А.П.Красавину и возглавляемому им коллективу ученых, а также специалистам институтов ВИОГЕМ, НИИОГР, СИБГИПРОШАХТ, ИГД СО РАН, МГГУ, СПГГИ (ТУ) им. Г.В.Плеханова, ИПКОНа и др.
ИДЕЯ РАБОТЫ заключается в учете закономерностей техногенеза при выборе способов охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов на территориях открытой разработки угольных месторождений.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Минимизация воздействий открытой добычи угля на окружающую среду и природные ресурсы территорий угольных месторождений путем выбора рациональных технологий использования ресурсов с учетом результатов научнообоснованного прогноза техногенеза воздействий горных работ.
ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ РАБОТЫ заключаются в:
- оценке существующих методик прогноза состояния окружающей среды и рационального использования природных ресурсов при разработке угольных месторождений открытым способом;
установлении главных факторов негативного влияния открытой добычи угля на природную среду;
разработке классификации техногенных нарушений поверхности территорий открытыми горными работами;
разработке методики проведения инженерно-экологических изысканий для зоны действия угольного разреза;
разработке структуры базы данных, кадастра техногенных нарушений геосреды поверхности территорий для контроля техногенеза в зоне действия углеразрезов;
разработке методики прогноза устойчивости экологической ситуации территории горнопромышленного района, складывающейся в результате деятельности предприятий открытой добычи угля;
разработке методики прогноза допустимых размеров техногенных нарушений природной среды поверхности территорий горными работами углеразреза с эколого-экономической оценкой ущерба, в зависимости от его производственной программы;
обосновании и разработке эффективных технологических способов утилизации и складирования твердых отходов от открытой угледобычи и других отходов.
-
Необходимая точность горноэкологического мониторинга в районах открытой добычи угля может быть обеспечена на основе научно обоснованной методологии прогноза техногенеза, включающей классификацию, структуру базы данных и кадастр техногенных нарушений с использованием разработанной методики инженерно-экологических изысканий, полевого обследования горного, земельного отводов разреза и прогноза устойчивости экосистемы территории к воздействию горных работ.
-
Снижение последствий техногенеза для земельных ресурсов при открытой разработке угольного месторождения должно быть обосновано на стадии проектирования и планирования производства прогнозированием допустимых размеров их техногенных нарушений с учетом производимого при этом ущерба и интенсивности ведения горных и рекультивационных работ.
3. Сокращение отчуждаемых и занимаемых твердыми отходами
земель при разработке угольного месторождения обеспечивается примене
нием разработанных технологий, увеличивающих складирование вскрыш
ных пород, золоотходов во внутренние отвалы, а также во внешние отвалы,
формируемые на обводненных территориях, с большой высотой и прием
ной способностью.
4. Улучшение структуры свойств почв, нарушенных и обводненных воздействием горных работ, достигается применением разработанной технологии утилизации углеотходов и отходов других производств совместным заложением их в траншеи, бурты, специальные «биологически живые» склады почв путем их превращения процессом компостирования в органогуминовое удобрение- биологически активный грунт, необходимый для рекультивации земель и скорейшего продуцирования естественной и высаженной на них биоты.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА заключается в следующем:
-
Предложена новая концепция прогноза техногенеза, производимого открытой добычей угля, с использованием разработанных классификации, кадастра техногенных нарушений и базы данных, обеспечивающих его ведение на территории горнопромышленного района с отражением экологического состояния по предлагаемым классификационным признакам: естественное, напряженное, конфликтное, критическое, кризисное, катастрофическое, а также прогноза устойчивости природохозяйственной системы к воздействию горных работ.
-
Впервые для прогноза техногенеза, допустимых техногенных нарушений в зоне горного и земельного отводов разреза установлены зависимости изменения площадей: занятых первоочередной отработкой и безвозвратно утрачиваемых земель от мощности вскрыши (условия КАТЭКа), нарушаемых горными работами земель от годовой производительности разреза по горной массе (условия Минусинского угольного бассейна); отчуждаемых под внешний отвал и рекультивируемых земель от высоты отвала с учетом применения авто- или железнодорожного карьерного транспорта.
-
Впервые, на основе проведенных исследований по естественной гумификации углеотходов и отходов, содержащих органическую массу, разработана рецептура компостирования компонентов при обильном их увлажнении щелочным (водомыльным раствором) для получения органо-гуминового удобрения как биологически активного грунта в производственных условиях разрезов, обеспечивающего структурное восстановление нарушенных и обедненных почв, нормальные условия жизнедеятельности и продуцирования фауны и флоры.
-
Впервые установлены оптимальные технологические параметры совместного складирования золовых отходов в виде зологранулита (состоящего, преимущественно, из спека стеклофазы и мелилита, нейтрального к окружающей среде) на внутренние отвалы вскрышных пород на основе учета техничеких, технологических, пространственных ресурсов разработки месторождения и геомеханических факторов, что обеспечивает безопасное их размещение в карьерной выемке с формированием техногенного месторождения этого материала.
НАУЧНОЕ ЗНАЧЕНИЕ РАБОТЫ заключается в обосновании и разработке концепции прогноза техногенеза, производимого открытыми горными работами в границах горного, земельного отводов углеразреза, с учетом которого проектируется комплекс горных технологий, обеспечивающий увеличение вместимости (емкости) внешних и внутренних отвалов, безопасное захоронение золоотходов, утилизацию углеотходов и отходов других производств, используемых для создания путем их гумификации органогуминовых удобрений, способствующих восстановлению активности и жизнедеятельности флоры и фауны на нарушенных техногенных территориях.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ включают: методы теоретического обобщения и систематизации данных, индексный сравнительный анализ статистических и опытно-практических данных, графический и графоаналитический методы, математико-статистические методы оценки информации, методы математического моделирования, в том числе методы корреляционного и регрессионного факторного анализа, планирования и проведения эксперимента.
ОБОСНОВАНИЕ И ДОСТОВЕРНОСТЬ НАУЧНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ, ВЫВОДОВ И РЕКОМЕНДАЦИЙ подтверждается значительным объемом использованных исходных данных, апробацией полученных результатов исследований на угольных разрезах, показателями характеристик корреляции результатов теоретических и экспериментальных исследований, хорошей сходимостью результатов моделирования и аналитических исследований с результатами промышленной апробации; положительным использованием разработанных технологий в проектных работах и в практике деятельности углеразрезов.
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ РАБОТЫ заключается в следующем:
- обоснована необходимость создания единой концепции научных
основ прогноза техногенеза для районов открытой добычи угля, а также
выбора рациональных горных технологий использования ресурсов, направ
ленных на повышение защиты окружающей среды, снижение площадей
земельных ресурсов, вовлекаемых в разработку, актуальность которых до
казана апробацией в условиях угольных разрезов;
-установлено влияние основных факторов (геоморфологических, геомеханических, гидрогеологических, биоморфологических, физико-химических) на природную среду угледобывающих районов и на этой основе обоснована и разработана классификация техногенных нарушений поверхности территории горного, земельного отводов разреза, которая прошла апробацию при разработке кадастров техногенных нарушений в условиях разрезов Бородинского и Осинниковского;
- обоснованы и разработаны методики проведения инженерно-
экологических изысканий и полевого обследования устойчивости экологи
ческой ситуации зоны действия угольного разреза, создания структуры ба
зы данных, кадастра техногенных нарушений геосреды поверхности терри-
торий для контроля и прогноза техногенеза, которые прошли апробацию на разрезах Бородинского и Осинниковского;
обоснована и разработана методика прогноза допустимых размеров техногенных нарушений природной среды поверхности территорий горными работами углеразреза с эколого-экономической оценкой ущерба в зависимости от его производственной программы, а также интенсивности и взаимодействия горнодобывающего и рекультивационного комплексов, в результате которой даны рекомендации по допустимым размерам техногенных нарушений для разрезов Бородинского, Осинниковского;
обоснованы и разработаны эффективные технологические способы складирования твердых отходов от открытой добычи угля и других отходов во внешние и внутренние отвалы, утилизации углеотходов и отходов с высоким содержанием органического вещества в органогу-миновое удобрение - биологически активный грунт, необходимый как восстановитель структуры почв при рекультивации нарушенных горными работами и землевании бедных земель.
Диссертационная работа выполнена на материалах научных исследований, проведенных автором во ВНИМИ, в соответствии с координационными планами НТГА РФ, отраслевыми планами научно-технических проблем АО «РОСУГОЛЬ» 0-4.4.16.00 «Разработать методические положения по установлению допустимых размеров нарушений геосреды поверхности территорий в зоне горного, земельного отводов угольных разрезов в зависимости от горногеологических условий, производственной мощности и применяемых систем разработки (для равнинного и слабохолмистого рельефа)» (1994-1995 г.г); 02.28.814.000 «Разработать методические положения по комплексной эколого-экономической оценке ущербов от нарушений геосреды поверхности территорий, предназначенных для добычи полезных ископаемых на основе законов РФ «О недрах», «Об охране окружающей природной среды» и «О плате за землю» (1995-1996 гг.); 02.28.815.000 «Разработать систему эколого-экономической оценки техногенных нарушений геосреды поверхности территорий зоны отрабатываемых и отработанных месторождений открытым и подземным способами» 1995-1996 гг); 02.1061.623.00 «Разработать систему экологической оценки допустимых техногенных нарушений геосреды поверхности территорий при разработке угольных месторождений» (1996-1997 гг.), в 1999 г. автором выполнена в ЗАО «Экологический институт» по координационному плану Минтопэнерго РФ тема 11.99.052.00 «Оценка техногенеза геосреды поверхности территории в районе функционирования угольных разрезов», а также в Институте экологии и охраны труда ЛО РАН по прямым договорам с АО «Красноярскуголь», комитетом природных ресурсов Республики
Хакассйя, угольными разрезами Бородинским, Назаровским, Березовским (КАТЭК), Осйнниковским (КУЗБАСС).
РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ осуществлена в проектных материалах институтов «СПБ-ГИПРОШАХТ», «СИБГИПРОШАХТ» по реконструкции и развитию углеразреза Бородинского, и также в ТЭО развития и освоения участка Чалпан Бейского каменноугольного месторождения при выполнении раздела «Охрана окружающей среды и природных ресурсов», где использовалась методика определения допустимых техногенных нарушений.
Для разрезов Бородинского и Осинниковского разработан кадастр техногенных нарушений геосреды поверхности территорий зоны действия открытой угледобычи как база данных для контроля и прогноза техногенеза, а также эффективного ведения горноэкологического мониторинга и экологического паспорта предприятия. Ведение кадастра позволило упорядочить в сравнении с календарным планом горных работ нарушение земель горными работами и сократить их отчуждение, соответственно, на 56 и 20 га.
На разрезе Березовском принята к внедрению технология совместного складирования вскрышных пород и зологранулированных отходов, позволяющая складировать твердые видоизмененные золоот-ходы в выработанное пространство на внутренние отвалы уже на первоначальном этапе в размере 1300 м3 на 1 м фронта и снизить площади, планируемые под занятие золоотвалами, в зоне Березовской ГРЭС. Результаты исследований используются в учебном процессе при чтении дисциплины «Экология горного производства», «Процессы открытых горных работ» на кафедре «Открытые горные работы» Красноярской академии цветных металлов и золота.
основная идея работы, постановка задач исследований, разработка методологии их решения, аспекты проведения исследований, результаты которых приведены в диссертационной работе; ..>-о.
обоснование и разработка теории научных основ исследований по созданию концепции прогноза техногенеза геосреды поверхности территорий в зоне действия угольных разрезов;
обоснование и разработка структуры классификации, базы данных для контроля техногенеза, кадастра техногенных нарушений, методик инженерных изысканий и полевого обследования, прогноза устойчивости экологической ситуации в ГПР и прогноза допустимых размеров техногенных нарушений с эколого-экономической оценкой ущерба территориям при открытой угледобыче;
- обоснование, организация и проведение промышленного экспери
мента для прогноза техногенных нарушений геосреды поверхности террито
рий в зоне действия углеразрезов Бородинского, Осинниковского и Чалпан;
- полевые натурные обследования и инженерно-экологические
изыскания на территориях зоны действия углеразрезов КАТЭКа с целью
выявления границ техногенных изменений природной среды и получения
информации для обоснования, разработки и апробации рекомендаций, на
правленных на комплексное использование природных ресурсов и охрану
окружающей среды в зоне действия углеразрезов Бородинского, Осинни
ковского;
- обоснование, разработка и промышленная апробация технологи
ческой схемы утилизации углеотходов и других отходов в органогумино-
вое удобрение в АОЗТ «Сона»;
Автор выражает глубокую признательность ректору СПГГИ (ТУ) им Г.В. Плеханова проф., докт. техн наук В.СЛитвиненко, консультанту диссертационной работы акад. РАЕН, проф., докт. техн. наук Ю. В.Шувалову, а также акад. МАНЭБ, проф., докт. техн. наук Г.А.Холоднякову за всестороннюю методическую помощь, консультации и поддержку, которую они оказали автору в ходе выполнения работы, а также руководству и инженерно-техническим работникам углеразрезов Бородинского, Назаровского, Березовского, Осинниковского, Черногорского, Чалпан, АО «Красноярскуголь», АОЗТ «Сона», оказавшим всемерное содействие в организации и проведении натурных исследований и экспериментов в условиях данных угольных предприятий.
АПРОБАЦИЯ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ. Основные научные положения докладывались и обсуждались на: научно-технических конференциях «Проблемы проектирования глубоких карьеров», г.Челябинск, 1985 г., «Проблемы рациональной разработки месторождений КАТЭКа», г.Красноярск, 1985 г., на международном конгрессе «Окружающая среда для нас и для будущих поколений, экология и бизнес в новых условиях», г.Красноярск, 1993 г., на межотраслевой научно-технической конференции «Экологическая безопасность ТЭК: проблемы и пути решения», г.Пермь, 1994 г., на международном симпозиуме ЕЭК ООН по углю по вопросам устойчивого развития районов открытых выработок угольных месторождений», г.Красноярск, 1995 г., на рабочем международном совещании ЕЭК ООН по углю по разработке базовой концепции горного законодательства, г.Красноярск, 1996 г., 3-й международной конференции «Экология и развитие Северо-Запада России», г. Санкт-Петербург Ладога-Онега, 1998 г.
ПУБЛИКАЦИИ. Основные научные положения и материалы по теме диссертации изложены в 34 печатных работах, в том числе 1 монографии.
ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ