Совершенствование природоохранных работ в угольной промышленности

Анализ развития газоаналитической техники в нашей стране показывает, что только в последние годы стало уделяться внимание средствам измерения состава промышленных выбросов.

Всесоюзным НИИ аналитического приборостроения (ВНИИАП) впервые в стране разработан многокомпонентный газоанализатор нового поколения 305 ФА-01, предназначенный для непрерывного измерения массовой концентрации одновременно пяти компонентов в выбросах ТЭС и промышленных предприятий: оксидов углерода и азота, диоксидов азота и серы, аммиака. При необходимости можно контролировать и массовую концентрацию диоксида углерода, метана и паров воды, которые входят в состав промвыбросов, а также любого в отдельности взятого компонента. Новый газоанализатор может успешно заменить газоаналитическую систему, состоящую из пяти газоанализаторов, работа которых основана на различных методах измерения. Газоанализатор комплектуется устройством пробоподготовки, устанавливается в специально оборудованном автомобиле и подсоединяется к объекту контроля с помощью выносного обогреваемого трубопровода. Может подключаться и стационарно.

Этим же НИИ разработан и начал серийно выпускаться переносный инфракрасный газоанализатор 121 ФА-01, предназначенный для измерения объемной доли оксида углерода в выхлопных газах карбюраторных двигателей. Прибор прост в обслуживании, обладает высокой надежностью и стабильностью показаний, быстродействием, само контролируемой чувствительностью измерения, универсальным питанием (от сети 220 В и от аккумуляторной батареи 12 В).

Ужгородским СКБ средств аналитической техники разработан и серийно выпускается газоанализатор ГЛ-1121, предназначенный для определения углеводородов в отработавших газах двигателей внутреннего сгорания.

Экспрессность, удобство в эксплуатации и экономичность вновь возвращают жизнь одному из старейших методов анализа состава вещества -- линейно-колористическому.

В институте ВНИИОСуголь разработан газоопределитель ГХПВ-1, предназначенный для определения оксидов азота и диоксида серы в дымовых газах котельных и углеобогатительных фабрик.

Диапазон концентраций, измеряемых ГХПВ, составляет для диоксида серы 0.5--10,0 г/м³; оксида азота (в пересчете на диоксид) -- 0,1 -- 1,0 г/м³.

Газоанализатор ГХПВ аттестован на высшую категорию качества, выпускается серийно с 1989 г. и в настоящее время внедряется на предприятиях отрасли.

5. РЕКУЛЬТИВАЦИЯ ЗЕМЕЛЬ, НАРУШЕННЫХ ГОРНЫМИ РАБОТАМИ. ОХРАНА ЗЕМЕЛЬНЫХ РЕСУРСОВ

5.1 ОБЩЕЕ СОСТОЯНИЕ

Угольная промышленность является одной из экологически сложных отраслей народного хозяйства страны. Это связано не только с созданием и функционированием крупномасштабных производств в разных зонально-климатических районах страны, но и с многосторонним негативным воздействием технологических процессов добычи и переработки угля на окружающую среду, выраженным в изъятии земель из оборота, видоизменений прилегающего ландшафта и в загрязнении его вредными отходами производства. Всевозрастающая концентрация промышленных объектов отрасли в основных угледобывающих районах усугубляет экологическую обстановку.

В среднем при добыче 1 млн. т угля нарушается при открытом способе 20 га, подземном -- до 7,5 га земли.

Основным направлением рационального использования земельных ресурсов в отрасли является рекультивация нарушенных земель и возврат их народному хозяйству в качестве продуктивных угодий. К наиболее характерным видам нарушений земель относятся плоские и I конические породные отвалы, карьерные выемки, деформация земной поверхности (прогибы, провалы), гидро- и золоотвалы, хвостохранилища. Значительная часть (69%) нарушений приходится на открытые разработки. Темпы рекультивации нарушенных земель постоянно повышаются, но все еще отстают от темпов нарушения. Основными направлениями рекультивации являются сельскохозяйственное (пашня, пастбища, сенокосы); лесохозяйственное (леса и кустарники); санитарно-гигиеническое и рекреационное.

Основными проблемами в области охраны и рационального использования земельных ресурсов являются:

- совершенствование технологии вскрышных, добычных работ и отвалообразования в направлении сокращения изымаемых из землепользования и нарушаемых площадей, приближения, ускорения и снижения трудоемкости рекультивационных работ;

- совершенствование существующих и разработка новых более эффективных способов технической и биологической рекультивации нарушенных земель, в том числе обеспечивающих восстановление гидродинамического режима грунтовых вод;

- разработка комплексов специальных машин для производства рекультивационных работ для различных видов нарушений и условий;

- разработка мероприятий и технических средств, исключающих отрицательное воздействие горных работ на прилегающие территории.

В рамках НТП по рациональному использованию земельных ресурсов проводились научные исследования и разработки по дальнейшему совершенствованию технологий технической и биологической рекультивации, по освоению высокопроизводительных технологических комплексов оборудования, обеспечивающих повышение качества и ускорение темпов рекультивационных работ. В отрасли постоянно выполнялись работы по разработке и освоению комплекса инженерно-технических и биологических мероприятий по предотвращению эрозионных процессов на отвалах и рекультивированных землях.

Проблема рекультивации на современном этапе в связи с ежегодным увеличением степени техногенного влияния угольной промышленности на природные ландшафты и окружающую среду требует нового подхода. Чтобы решить ее полностью и эффективно, необходимо изучить комплексно все виды нарушений природных экосистем, изучить специфику и динамику экологических условий, создающихся при техногенном воздействии на природные комплексы, спрогнозировать те изменения, которые могут произойти в результате действия техногенных факторов. Однако эта проблема по-прежнему решается в стране в рамках отдельных отраслей. Планирование рекультивационных работ в большинстве случаев не учитывает роли нарушенных и восстановленных земель в сохранении экологического равновесия в природе, правильного соотношения направлений рекультивации с учетом природно-климатических условий района, всего необходимого комплекса мер по сохранению и воспроизводству нарушенных экосистем в целом.

Технический этап рекультивации земель на разрезах, как правило, по-прежнему ведется без совмещения с технологией вскрышных работ и отвалообразования, отстает по времени от горных работ и выполняется по раздельной схеме, что ведет к значительному (до 10 раз) удорожанию рекультивационных работ.

Определенный опыт рекультивации земель, нарушенных горнодобывающей промышленностью, накоплен в капиталистических странах. Так, в США площадь земель, поврежденных открытыми горными разработками, превышает 2 млн. га, ежегодно возрастая на 80 тыс. га.

В Великобритании, стране с относительно небольшой территорией, разработками каменного угля (ведущимися в 9 бассейнах), железной руды, строительных материалов нарушено более 80 тыс. га земель, прирост их составляет около 2 тыс. га в год. При этом плотность нарушений на 1000 га достигает в Ланкашире 7,3, на севере Англии -- 4,3, в западном Медленде -- 40 га.

В Германии наиболее сильное вмешательство в природу имеет место в районе Нижнерейнского буроугольного бассейна -- крупнейшего в Европе месторождения, занимающего территорию около 2,5 тыс. км². До 99% угля добывается здесь открытым способом с глубины до 300 м, площадь нарушенных земель составляет порядка 20 тыс. га. Добычей строительных материалов в Германии нарушается 7--10 тыс. га земель в год.

Быстрый рост и расширение масштабов горных разработок в развитых капиталистических странах, часто в ущерб другим видам использования земель, делают особенно актуальной проблему восстановления полезных природных свойств территории -- рекультивации ландшафтов. Эта проблема обостряется конкуренцией различных землепользователей, конфликтным столкновением их интересов, прежде всего в густонаселенных районах с высокой концентрацией экономической деятельности. Принятые в отдельных капиталистических странах определения понятия «нарушенных земель» несколько различаются, но суть их сводится к следующему: к нарушенным землям относятся территории, настолько поврежденные горнодобывающей промышленностью или другими видами производств, что рентабельное использование их невозможно без проведения специальных мероприятий. Это определение близко к трактовке нарушенных земель в нашей стране.

Конечной целью рекультивации является создание «оптимального ландшафта», под которым понимается такая форма организации территории, которая позволяет не только обеспечить максимальную продуктивность земельных угодий, но и удовлетворить рекреационные, эстетические, санитарно-гигиенические и другие требования к природной среде.

На месте старых карьеров часто проводится водохозяйственная рекультивация. Это один из самых дешевых способов восстановления нарушенных земель, позволяющих вместе с тем создавать резервы воды для промышленных и сельскохозяйственных нужд. Затоплению подвергаются даже карьеры с высокотоксичными грунтами, к которым неприменимы другие способы рекультивации.

Санитарно-гигиеническая и озеленительная рекультивация проводится для борьбы с водной и ветровой эрозией главным образом вблизи населенных пунктов и в целях создания местообитаний для животных, прежде всего таких видов, которым угрожает уничтожение. В этих случаях активно используют самозарастание, ускоряя его обогащением пород минеральными и органическими веществами. Особую трудность представляет восстановление нарушенных земель с токсичными породами. Основное внимание в этих случаях уделяется подбору видов растений.

Важным направлением рекультивации является создание на местe отработанных месторождений зон отдыха и спортивных баз. Для этих целей могут использоваться как территории с водными ресурсами -- глубокие затопляемые карьеры (виды использования -- рыболовство, водный спорт), так и без них (маршрутный и прогулочный туризм, скалолазание, мото- и велоспорт, теннис, лыжный спорт). Затраты при рекреационном направлении рекультивации в среднем в 3 раза ниже, чем при сельскохозяйственном.

В густонаселенных районах с высокой концентрацией промышленного производства территории выработанных карьеров и шахт чаще всего после предварительной подготовки используются для жилищного, промышленного или транспортного строительства.

Капиталистическими странами накоплен богатый опыт по рекультивации разных типов нарушенных земель, представляющий практический интерес. Однако, надо подчеркнуть, что проблема нарушенных горнодобывающей промышленностью земель в этих странах далека от своего решения. Затраты на рекультивацию весьма значительны. 3а-висимость проведения восстановительных работ от заинтересованности предприятий в том или ином участке земли, от рыночной стоимости земли препятствуют последовательному осуществлению этих работ, предотвращению деградации природных ландшафтов, так как многие карьеры вообще не подвергаются рекультивации, а используются для складирования промышленных отходов.

Во вскрышной толще буроугольных месторождений часто встречаются сульфидсодержащие породы с большим содержанием серы и гидроокислов алюминия и железа. Такие породы рекультивируются путем нанесения рекультивационного слоя. Для этой цели используются гумусированный слой почвы, лессовидные суглинки и лесс. Мощность насыпного слоя зависит от целевого использования рекультивируемых земель и колеблется от 0,6 до 1,5 м. При освоении таких земель используют различные почвообразующие культуры и мелиоративные севообороты. Большое внимание уделяется агротехническим и противоэрозионным мероприятиям: тщательное выравнивание отвальной поверхности и насыпного слоя, глубокая (до 50 см) вспашка, внесение повышенных доз минеральных удобрений. На рекультивированных таким образом участках через 2--3 года получают урожай не ниже, чем на старопахотных землях. При отсутствии гумусированного слоя почвы и суглинков для перекрытия фитотоксичных пород проводится химическая мелиорация поверхности отвалов.

Для рекультивации фитотоксичных пород применяется также метод Койке, основанный на использовании бытовых сточных вод. По этому методу в течение двух лет разбрызгивается до 1100 мм биологически активного осадка. Поверхность отвала периодически дискуется и глубоко пашется. Восстановленная таким образом площадь используется, в основном, под посевы многолетних трав.

При создании лесонасаждений на отвалах без нанесения рекультивационного слоя на первом этапе высеваются лютик многолетний (15--60 кг/га) или донник белый (30 кг/га). На третий год травы запахиваются и высаживаются древесно-кустарниковые культуры (дуб, липа, лиственница, сосна, ольха, ива и др.).

Для облесения в Германии используются большей частью участки, непригодные для сельскохозяйственного производства, в том числе и откосы. Облесенные откосы отвалов составляют 40--60% всей площади лесохозяйственной рекультивации.

При рекультивации старых заброшенных земель практикуется их обработка сточными водами с целью насыщения субстратов органическими и другими питательными веществами. Дополнительно производится внесение минеральных удобрений, которые стабилизируют вымывание некоторых химических элементов, особенно в районах с большим количеством осадков. Обработка сточными водами проводится из чета 100 т сухого осадка на 2,0 тыс. т породы. Новые отвалы сразу проектируются с откосами от 3--4° до 18° с целью последующего использования их в сельском хозяйстве. Использование осадков бытовых сточных вод (ОСВ) получило широкое распространение при восстановлении нарушенных земель в последние 5--10 лет в США. Сущность способа заключается в известковании кислых субстратов отвала известью до рН=7,0. Затем с компостированием либо без него вносится ОСВ в количестве 120--134 т/га в пересчете на сухое вещество. После вспашки производится посев овсяницы тростниковой, ежи сборной, ледвянца рогатого. Наблюдения в течение 5 лет подтвердили благотворное влияние ОСВ на надземную и корневую биомассу, накопление в почве органического вещества. Другой способ использования ОСВ состоит в анаэробном сбраживании и обезвоживании осадка (до консистенции около 25%), смешивании с опилками в соотношении 1:2 и компостировании. Полученный компост смешивается с осадком в соотношении 1:1 и вносится в субстрат отвалов в количестве 12--13,4 кг/м². При этом восстановление нарушенных земель происходит значительно быстрее, чем при использовании минеральных удобрений. Анализ на наличие тяжелых металлов в выращенной продукции дал отрицательные результаты.

Заслуживает внимания также опыт использования ОСВ в Венгрии, где путем биологического инъектирования его в субстрат отвалов восстановлено более 2,0 тыс. га после разработки бурого угля. Сущность способа заключается в подготовке на основе ОСВ смеси из лигнита, опилок или соломы с удобрениями и инъектирования ее в поверхность отвала. Практика показала, что на подготовленных таким образом участках с успехом растет пшеница, рожь, овес, ячмень, овощи, древесные и кустарниковые культуры.

Повышение требований к охране окружающей среды побуждает в последние годы более внимательно относиться к формированию отвалов.

Накоплен мировой опыт рекультивации отвалов несколькими способами, к которым относятся:

- выполаживание угла откоса отвала до 8--12°, последующий посев трав и посадка деревьев;

- нарезка на высоких (20 м и более) отвалах террас и микротеррас с последующей посадкой на них древесно-кустарниковой растительности;

- закрепление поверхности откосов отвалов дерниной с сенокосно-пастбищных угодий;

- закрепление поверхности отвалов вяжущими веществами в сочетании с мульчирующим материалом, макро- и микроудобрениями, семенами при гидропосеве;

- покрытие поверхности откосов отвалов искусственно выращенными торфодерновыми коврами.

Наиболее перспективны два последних способа: первый из них дает возможность производить механизированным способом посев многолетних трав на труднодоступных участках рельефа, второй является наиболее быстрым и эффективным.

В СНГ гидропосев применяется при мелиорации и в дорожном Строительстве. Известен целый ряд рецептов, отличающихся друг от друга входящими в их состав компонентами. В качестве вяжущих материалов используются различные марки битумов, латексов, в качестве мульчирующих добавок -- древесные опилки, солома, дерновая крошка, торф, органическое волокнистое вещество и т. д. Для посева берутся семена различных видов многолетних трав. В каждом конкретном случае состав рабочей смеси определяется условиями применения, получаемым эффектом, стоимостью и доступностью материалов. В последние годы для закрепления откосов отвалов и создания естественного природного ландшафта успешно применяются дерновые покрытия на торфяной основе (торфодерновые ковры), технология производства которых разработана Всесоюзным научно-исследовательским институтом торфяной промышленности (ВНИИТП).

Торфодерновые ковры представляют собой геометрически правильно нарезанные куски дернины, эластичные и равномерные по толщине, с густым травянистым покровом. Их получают путем посева многолетних трав (мятлик луговой, овсяница красная и луговая, полевица белая, ежа сборная, тимофеевка луговая и т. д.) на торфяниках верхового типа со слабой степенью разложения. Торфяная основа хорошо переплетается корнями травянистых растений, отличается высоким содержанием влаги (65--85%), запасом необходимых питательных веществ, имеет слабокислую реакцию среды. Срок выращивания торфодерновых ковров -- один месяц. Производство такого рода продукции освоено на ряде торфопредприятий страны.

5.2 ТЕХНОЛОГИЯ ТЕХНИЧЕСКОЙ РЕКУЛЬТИВАЦИИ НАРУШЕННЫХ ЗЕМЕЛЬ

В настоящее время в угольной промышленности повсеместно используются традиционные схемы технической рекультивации, разработанные институтами ВНИИОСуголь, НИИОГР и Центрогипрошахт. В горнорудной промышленности, особенно на месторождениях, расположенных на ценных плодородных землях, используются схемы с селективной выемкой и укладкой в отвал ППП с последующим перекрытием ПСП. В целом в этих отраслях практикуется разработка технологических схем применительно к конкретным объектам с учетом местных условий.

При восстановлении нарушенных земель наиболее трудоемкий процесс рекультивации -- первичная планировка пород на отвалах. Широкое применение веерной отсыпки пород на верхнем ярусе отвала позволяет в 3 раза уменьшить объемы планировочных работ. При бестранспортной системе разработки схемы веерного отвалообразования однако не нашли широкого применения. На отдельных разрезах применяют схемы частичной веерной отсыпки, увеличивая тем самым объемы первичной планировки поверхности отвалов относительно технологически возможной.

Для предприятий отрасли разработаны технологические схемы сплошного веерного отвалообразования на всю ширину экскаваторной заходки с учетом факторов, влияющих на предельную высоту вскрышного уступа. Установлены области применения сплошной веерной отсыпки пород драглайнами. Разработаны предварительные требования к технологии горных работ по охране земельных ресурсов при отработке горизонтальных, пологах, наклонных и крутопадающих месторождений, позволяющие уменьшить земельные отводы под внешние отвалы на 35--50% за счет изменения порядка и последовательности отработки поля разреза.

На горизонтальных и пологих месторождениях полезных ископаемых отработку запасов рекомендуется вести двумя этапами с переходом во втором этапе на вскрытие засыпной галереей (тоннелем). На нервом этапе освоения запасов разреза отработка полезного ископаемого производится по поперечной однобортовой системе разработки с минимальным фронтом работ в 500--700 м. На втором этапе доработка запасов производится по однобортовой системе разработки. Отвалообразование внутреннее, направление фронта отвальных работ аналогичное вскрышному.

Отработку наклонных и крутых залежей рекомендовано производить блоками. На первом этапе работ интенсивно отрабатывается первый блок до проектной глубины с внешним отвалообразованием. На втором этапе вскрышные породы размещаются в выработанном пространстве первого отвального блока. Количество блоков зависит от протяженности месторождения и принятой проектом длины блока. Отработанные вскрышные породы последующих блоков транспортируются и размещаются в выработанном пространстве предшествующих блоков. Переход разрезов с цикличной технологии на циклично-поточную или поточную расширяет область применения отработки запасов полезных ископаемых блоками.

При освоении пологих, наклонных и крутопадающих месторождений вскрышные породы отрабатываются по системе разработки с группированием уступов, обеспечивающей перераспределение части вскрышных пород на последующие периоды горных работ.

Из новых технических решений, защищенных авторскими свидетельствами, интерес представляют «Способ формирования отвалов» (а.с. 1273558), «Способ рекультивации глубоких карьеров» (а.с. 1330313), «Способ рекультивации при открытой разработке месторождений» (а.с. 1062392).

Сущность способа формирования отвалов заключается в увеличении емкости отвала и интенсификации рекультивационных работ с помощью отвалообразователя путем отсыпки заходок в определенной последовательности и перекрытия их почвообразующими породами.

Техническое решение способа рекультивации глубоких карьеров относится к рекультивации карьерных выработок. Технология засыпки включает отсыпку поперек карьера упорных стенок на определенном расстоянии друг от друга с перекрытием откосов водонепроницаемым материалом, отсыпку поперечных упорным стенкам перемычек и заполнение образованных пространств отходами (например, горного производства).

Способ рекультивации при открытой разработке месторождений позволяет обеспечить сокращение расстояния транспортирования почвенного слоя и вскрышных пород, создает благоприятные условия для синхронного ведения добычных и рекультивационных работ и уменьшения отчуждения земель для разработки. Суть способа заключается в складировании ПСП в отвалы, расположенные вдоль длинных нерабочих бортов карьера. Вскрышные породы, складируемые вслед за выемкой полезного ископаемого, перекрываются сначала ППП из отвалов, расположенных вдоль нерабочих бортов при прямом ходе планировочного оборудования, а при обратном ходе его перекрываются слоем ПСП.

«Способ отвалообразования при открытой разработке месторождений полезных ископаемых» (а.с. 754062) заключается в формировании ярусов отвала от границ к центру, причем при отсыпке пионерной насыпи на ее внешний откос отсыпают потенциально-плодородные породы и выполаживают до заданного угла. К моменту окончания отсыпки всех ярусов получается сплошной выположенный откос заданной крутизны, перекрытый потенциально-плодородными породами.

«Способ отвалообразования при открытой разработке месторождений полезных ископаемых» (а.с. 806867) заключается в осуществлении отвалообразования и технической рекультивации откосов отвалов по совмещенной схеме. Внешний откос насыпи наполовину отсыпается потенциально-плодородными породами со смещением каждого яруса к центру отвала на ширину насыпи, а высоту яруса принимают равной трети ширины дамбы.

Для формирования отвалов, имеющих эрозионноопасные откосы, представляет интерес «Способ рекультивации откосов» (а.с. 1016512). Данный способ заключается в нарезке клиновидных, копирующих поверхности откоса, заходок (косые съезды). Шаг заходок составляет половину их длины, а угол наклона -- менее угла откоса отвала. При нарезке заходок на двух смежных откосах ярусов их располагают навстречу, друг другу.

Для выходящих на конечный контур высоких отвалов с учетом создания полноценных сельскохозяйственных угодий, в том числе разведения садов, можно рекомендовать технологическую схему формирования террасированных откосов с помощью экскаватора типа механическая лопата. Террасы образуются за счет постепенного понижения заходок. Заданный угол откоса определяется расстоянием от начала понижения до границы земельного отвода.

В последние годы, например в Великобритании, наметилась тенденция к проектированию и формированию отвалов с выположенными от 18 до 3--4° откосами, что позволяет использовать их после рекультивации в сельском хозяйстве. В Чехословакии считается, что сады и виноградники являются интенсивной формой рекультивации откосов после их выполаживания и перекрытия ППС слоем 35--60 см. После достижения садами предельного возраста они заменяются на сельскохозяйственные культуры.

Для рекультивации хвостохранилищ институтом НИИКМА (г. Губкин) предложена технология, основанная на формировании геохимического барьера из кальцийсодержащих пород необходимой мощности, который поглощает всю влагу атмосферных осадков и одновременно препятствует поступлению тяжелых металлов из хвостохранилища в рекультивационный слой и высаживаемые культуры.

Институтом ВНИИОСуголь с целью сокращения затрат на техническом этапе рекультивации разработан и проверен в промышленных условиях способ первичной планировки гребневидных породных отвалов с использованием энергии взрыва. Сущность способа заключается в том, что породы с верхней части отвала транспортируются в межгребневое пространство энергией взрыва, с целью получения поверхности, обеспечивающей возможность проведения последующих этапов рекультивации.

Для подготовки участка к взрыву необходимо выполнить подготовительные работы, заключающиеся в формировании заездов на отвалы и рабочей площадки под буровую технику и зарядно-доставочные машины. Формирование рабочей площадки производится бульдозером Д-572 или ДЗ-34С вдоль гребня отвала на всю его длину.

Для производства взрыва используются вертикальные скважинные заряды, преимуществом которых являются как простота подготовки взрывов в сложных горнотехнических условиях, высокая степень механизации подготовительных работ, так и эффективность их экскавационного действия. В качестве бурового оборудования рекомендуется применять самоходные буровые установки с автономным приводом, что позволит проводить буровые работы на отвалах, удаленных от развернутой сети ЛЭП и не имеющих качественных подъездных путей. При выборе бурового органа необходимо учитывать возможность попадания крупных твердых включений в отвальных породах, что резко увеличивает время бурения шнеком (самый дешевый способ бурения). Диаметр взрывных скважин должен быть не менее 200ч300 мм, в противном случае резко возрастают объемы, а следовательно, и затраты на бурение.

В качестве ВВ возможно применение простейших их видов, применяемых в промышленности: граммонитов, гранулитов и игданитов, обладающих наилучшими метательными свойствами и наименьшей стоимостью. В результате взрыва получается поверхность, которая доводится бульдозером до проектного уровня. Причем объем бульдозерных работ не больше, чем после экскаваторной планировки.

Преимущество взрывного метода первичной планировки перед механическим наиболее полно проявляется при рекультивации одиночных отвалов, участков отвалов, удаленных от ЛЭП и подъездных дорог, при ограниченности экскаваторного парка на разрезах, а также при работах по планировке в зимний период, что имеет существенное значение для угледобывающих предприятий Сибири и Дальнего Востока. По данным экспериментальных взрывов удельный расход ВВ для перемещения 1 м³ породы составил 0,75 кг, себестоимость планировки - 24 коп., что на 5 коп. превышает себестоимость экскаваторного способа. Однако снижение капиталоемкости рекультивационных работ при применении энергии взрыва, возможность увеличения темпов выполнения первичной планировки и круглогодичного ведения работ, скорейший возврат земель в народнохозяйственный оборот определяют конкурентоспособность взрывной технологии первичной планировки по сравнению с традиционными технологиями. Разработанная технология первичной планировки может быть использована самостоятельно или в сочетании с другими известными технологиями.

5.3 ТЕХНОЛОГИЯ БИОЛОГИЧЕСКОЙ РЕКУЛЬТИВАЦИИ

Важное значение имеют результаты работы в рамках биотехнологических исследований по снижению трудоемкости биологического восстановления нарушенных земель.

В институте ВНИИОСуголь разработан микробиологический способ рекультивации, не имеющий аналога в мировой практике. Повышение биологической активности рекультивируемых грунтов достигается сплошной инокуляцией активной почвенной микрофлоры, способствующей мобилизации потенциального плодородия субстрата, накоплению в нем органического вещества и элементов питания в доступной для высших растений форме. В отличие от традиционных приемов рекультивации при указанном способе образование почвенного слоя происходит в 2--3 раза быстрее. Разработанная технология ускоренной рекультивации земель с использованием почвенных микроорганизмов защищена 11 авторскими свидетельствами и запатентована в США, Канаде, Франции, Испании, Чехословакии, Германии, получено решение о выдаче патента Италией. В настоящее время рассматривается возможность внедрения способа в КНР.

Прогрессивными и экологически чистыми являются разработки специалистов института ВНИИОСуголь и ПО «Средазуголь», а также КАТЭКнииуголь по получению гуминовых кислот, комплексных органо-минеральных удобрений для активизации биохимических процессов в почве, что открывает широчайшую перспективу рекультивации земель, интенсификации сельскохозяйственного производства при практически неограниченной сырьевой базе, минимальных затратах и исключении применения химически вредных веществ.

Перспективной представляется организация производства, специализирующегося на изготовлении оборудования, машин и механизмов для широкого внедрения указанного способа и увеличения объемов рекультивационных работ.

Особый интерес представляют производственный опыт рекультивации нарушенных земель, накопленный в Орджоникидзевском горно-обогатительном комбинате, и технология рекультивации сульфидсодержащих и засоленных пород в Западном Донбассе.

Орджоникидзевский ГОК имеет семь карьеров средней производительностью 40 млн. т горной массы в год, три обогатительных фабрики и производит 46% выпускаемого в стране марганцевого концентрата. На вскрышных работах занято 7 роторных комплексов производительностью 3--5 тыс. м³/ч и 32 шагающих экскаватора с ковшами вместимостью 6--25 м3. На карьерах комбината складируется в бурты до 4 млн. м³ чернозема в год.

Технический этап рекультивации совмещен с вскрышными работами. Например, на Запорожском карьере при средней мощности вскрыши 65 м основной уступ высотой до 40 м разделен на два подуступа. Нижний уступ высотой 15--17 м отрабатывается по бестранспортной системе двумя экскаваторами ЭШ-20/72, верхний уступ высотой 2--25 м отрабатывается по транспортно-отвальной системе роторным комплексом, состоящим из экскаватора APs-1500, перегружателя SchRs0/30+23 и отвалообразователя ОШР-4500/180.

Верхний уступ высотой до 30 м отрабатывается роторным комплексом, состоящим из экскаватора ЭРГ-1600, системы ленточных конвейеров общей протяженностью 5000 м, компенсатора высоты и отвалообразователя.

Формирование внутренних отвалов осуществляется несколькими ярусами:

первый (нижний) ярус отвала, приуроченный к нижнему вскрышному уступу, отсыпается по бестранспортной схеме. Известняк размещается в основании отвала, что позволяет повысить устойчивость последнего и увеличить результирующий угол откоса;

второй ярус отвала отсыпается по транспортно-отвальной схеме и представлен в основном красно-бурыми суглинками и глинами;

третий ярус отвала отсыпается отвалообразователем, работающим в сочетании с конвейерами, причем отвалообразователь работает только с нижней отсыпкой, что дает возможность после отсыпки этого яруса иметь спланированную поверхность внутренних отвалов. Породы этого яруса представлены в основном желто-бурыми лессовидными суглинками, создающими потенциально-плодородный слой.

Согласно техническим условиям, разработанным Украинским НИИ почвоведения и агрохимии им. Соколовского, спланированная поверхность отвалов покрывается лессовидными суглинками мощностью 1,5 м. На спланированную поверхность потенциально-плодородного слоя укладывается слой чернозема толщиной 0,5 м.

Чернозем, укладываемый в верхний ярус, предварительно снимается экскаватором Э-2503 или скреперами впереди фронта вскрышных работ, грузится роторным экскаватором и доставляется во внутренний отвал конвейерами для временного складирования.

Укладка чернозема производится после стабилизации поверхности отвала спустя 3--4 года. Из временного склада чернозем развозится по площади отвалов технологическим автотранспортом с погрузкой экскаватором Э-2503 или скреперами. На карьере «Чкаловский-2» чернозем разбрасывается экскаватором ЭШ-6/45. Планировка черноземного слоя осуществляется бульдозерами.

Годовая подвижка фронта вскрышных и добычных работ составляла 160--200 м. При длине фронта горных работ по вскрыше 1700-- 2400 м годовые площади отработки равны примерно 40--45 га. В проекте предусмотрена двойная планировки отвала: первичная -- после трехлетней усадки отвалов и чистовая -- после нанесения чернозема на спланированную поверхность.

Для проведения работ по рекультивации нарушенных земель на комбинате создано хозрасчетное специализированное подразделение с числом работающих 220 человек, из которых 25 инженерно-технические работники. Подразделение имеет свою производственную базу, укомплектовано необходимыми машинами и механизмами и выполняет весь комплекс работ по горнотехнической и биологической рекультивации, начиная со снятия плодородного слоя почвы до покрытия им спланированных отвалов и передачи восстановленных земель хозяйствам.

Многолетние исследования и опытные работы Украинского НИИ почвоведения и агрохимии и Днепропетровского сельскохозяйственного института показали, что нарушенные земли, восстановленные с соблюдением всех требований технической и биологической рекультивации, могут быть использованы в сельскохозяйственном производстве для выращивания всех сельскохозяйственных культур и обеспечивать урожайность не ниже, чем на старопахотных землях.

При озеленении откосов без их предварительной подготовки получили развитие способы посева и гидропосева многолетних трав с применением и без применения мульчирующих и связующих материалов. Особый интерес представляет техническое решение по гидропосеву без использования специального мульчирующего вещества (а.с. 704501). Сущность его заключается в использовании в качестве пленкообразующего и мульчирующего вещества отходов целлюлозно-бумажной промышленности, которые, растворяясь в воде, образуют коллоидный раствор.

Институт НИИКМА предлагает также: способ рекультивации отвалов (а.с. 1466036), включающий подготовку откоса, гидропосев и заделку семян в грунт. Базовой машиной для гидропосева является МК-14 с обрабатывающим (рыхлящим) оборудованием, при помощи которого готовится откос и заделываются семена;

- устройство для поверхностной обработки крутых откосов (а.с. 1471335), которое позволяет обрабатывать землю на откосах до 45°. Устройство в комплексе с сеялкой обеспечивает бороздование откоса и посев трав;

- сеялку (а.с. 1429968), снабженную шнековыми двигателями с реверсивным приводом, попарно расположенными с каждой стороны Наличие четырех двигателей обеспечивает перемещение сеялки как вдоль, так и поперек склона. Борозды нарезаются сошниками, закрепленными на цепи, а семена синхронно движению попадают в борозды и заделываются в грунт;

- способ рекультивации откосов (а.с. 1016512), сущность которого состоит в том, что террасы с предохранительными бермами и водозадерживающим валом у верхней бровки откоса формируют клиновидными заходками диагонально по отношению к бровке откоса с повторением рельефа последнего. При рекультивации двух смежных откосов наклонные террасы проходят в противоположном направлении по отношению к предыдущему. Угол наклона террасы меньше угла рекультивируемого откоса. Нарезка террас шириной 3--5 м производится бульдозером возвратно-поступательными движениями. Шаг террасы равен половине ее длины (проекции). Способ позволяет уменьшить удельный объем начальных работ по нарезке наклонных террас в 15-- 20 раз по сравнению с нарезкой горизонтальных террас.

Для повышения эффективности работ по закреплению откосов сеянцами древесно-кустарниковых культур по обычной технологии предлагаются откосы, покрытые суглинком для предотвращения самовозгорания или для озеленения, дополнительно покрывать слоем породы мощностью 0,1--0,3 м, что позволяет существенно повысить приживаемость сеянцев и уменьшить эрозионные процессы.

5.4 МЕТОДЫ И СРЕДСТВА УСКОРЕННОГО ПОЧВООБРАЗОВАНИЯ, СОЗДАНИЯ БЛАГОПРИЯТНЫХ УСЛОВИЙ ДЛЯ БИОЛОГИЧЕСКОЙ РЕКУЛЬТИВАЦИИ ЗЕМЕЛЬ

Научные изыскания в области биологической рекультивации направлены в основном на совершенствование методов и технических приемов, обеспечивающих ускоренное восстановление биологической ценности нарушенных земель. Основные направления поисковых и экспериментальных работ следующие:

изучение агрохимических и агрофизических свойств вскрышных Пород и отвальных грунтов в основных угольных бассейнах;

исследование физико-химических и микробиологических процессов в грунтосмесях отвалов, происходящих в процессе рекультивации;

изыскание органических и неорганических материалов и активизирующих реагентов и разработка почвоулучшающих севооборотов с целью создания искусственных почвогрунтов на породных отвалах, исключающих применение природных почв и потенциально плодородных грунтов для целей рекультивации;

создание опытных участков для проверки разработанных рекомендаций.

Наряду с традиционными приемами биологической рекультивации, базирующихся на нанесении плодородного слоя почвы на восстанавливаемую поверхность, в настоящее время приобретает большое значение разработка новых методов беспочвенного восстановления плодородия нарушенных земель. Установлено, что при внесении в ре-культивируемые грунты некоторых видов микроорганизмов значительно интенсифицируются почвообразовательные процессы, способствующие накоплению в них органического вещества и элементов питания в доступной для растений форме. Это позволило разработать принципиально новую технологию ускоренной рекультивации нарушенных земель, которая успешно применяется в ряде угольных регионов страны.

Сущность способа заключается в обработке спланированной поверхности рекультивируемых земель активными штаммами почвенных микроорганизмов в комплексе с биостимулирующими препаратами, что способствует ускоренному накоплению в грунтах органического вещества, улучшению агрохимических свойств и формированию устойчивого травостоя без нанесения плодородного слоя почвы. Процесс восстановления плодородия технологически простой и осуществлялся в течение одного-трех лет. Данный способ запатентован в восьми странах и является предметом лицензионной продажи.

В настоящее гремя в сельском хозяйстве используются техногенные почвы с насыпным гумусным слоем, качество которого в значительной мере определяется их продуктивностью. Но даже при высоком качестве рекультивационных работ содержание гумуса в техногенной почве уменьшается почти в три раза по сравнению с зональной почвой в результате смешивания гумусного слоя с переходным горизонтом материнской породой. Кроме того, при снятии гумусного слоя, его транспортировке, насыпке и планировке происходит разрушение почвенного профиля, смешение генетических горизонтов, что приводи к снижению содержания гумуса в почве, иссушению и разрушению с структуры.

Украинским НИИ почвоведения и агрохимии проведены опытны работы по окультуриванию лессовидных пород, образующих отвалы на буроугольных разработках Кировоградской области. Исследования показали, что выращивание многолетних трав является одним из наиболее важных приемов превращения рекультивированных техногенных почв в культурные сельскохозяйственные угодья.

Темпы накопления гумуса за семилетний период возделывания зерновых культур и многолетних трав с периодической их запашкой составили от 0,03 до 0,10% в год, то есть на 1 га травы обеспечиваю образование от 1,5--2,0 до 3--4 т гумуса ежегодно. Урожай зерна озимой пшеницы после 3-летнего возделывания люцерны составил 38,3 ц/га. Преимущество этого способа состоит в том, что повышение содержания гумуса в техногенных почвах до уровня зональных достигается без применения органических удобрений. Способ эффективен во всех почвенно-климатических зонах страны.

Эффективным способом повышения биологической активности почвы, накопления гумуса и элементов питания при рекультивации нарушенных земель является внесение в почву осадка сточных вод Экспериментальная проверка способа проводилась на отвалах пород при добыче бурого угля.

Как отмечалось, институтом ВНИИОСуголь разработана технология, основанная на микробиологическом способе рекультивации промышленных отвалов и предназначенная для ускоренного почвообразования главным образом на породных отвалах угольных предприятий с целью их озеленения. Способ заключается в том, что спланированные отвалы обрабатывают хозяйственно-бытовым осадком, а затем -- гуминовым препаратом, содержащим культуру плесневого гриба Aspergillus. После этого проводят вспашку и поверхность отвала засевают семенами многолетних трав (бобовых и злаковых). Засеянную поверхность отвала инокулируют бактериальным препаратом, содержащим культуру аммонифицирующих, и нитрифицирующих бактерий, выделенных из отвалов и поэтому адаптированных к их условиям. А во время всходов растений и в период их кущения производят инокуляцию поверхности отвалов бактериальным препаратом, содержащим культуру Azotobacter и фосфатрастворяющие бактерии.

Выделение бактерий, используемых для приготовления препаратов, осуществляется из породы рекультивируемых отвалов по специально разработанной методике, характеризующейся простотой, доступностью и низкими материальными затратами. Для выращивания бактериальной культуры используют специально созданную установку культивирования микроорганизмов, позволяющую ежесуточно получать определенное количество культуры, необходимой для обработки поверхности породного отвала.

Уже во второй год происходит быстрый процесс почвообразования и на поверхности отвала формируется дерновый слой 10--15 см. Высота растений на рекультивируемых участках достигает 100--120 см, а количество биомассы -- 190 ц/га. Увеличивается количество бактерий, участвующих в почвообразовании. Под влиянием метаболизма микроорганизмов улучшаются агрохимические свойства породы. Водная рН повышается с 3,0 до 7,0 (на кислых породах), а сумма обменных оснований -- до 49,4 мг-экв/100 г. Увеличение подвижных фосфора и калия, а также тенденция к накоплению азота и гумуса свидетельствуют о возникновении важнейшего свойства образующейся почвы -- плодородия.

Кроме высеянных трав на рекультивируемых участках появляются и другие растения, в том числе древесно-кустарниковые породы. Результаты обследования рекультивированных участков показали, что из поселившихся на отвале растений около 90% относится к многолетним видам и только порядка 10% составляют одно- и двулетние виды.

В отличие от традиционных способов рекультивации, осуществляемых путем нанесения на поверхность отвала природного гумусового слоя, снятого с других плодородных участков, описываемый способ рекультивации промышленных отвалов требует гораздо меньших затрат, а образование почвенного слоя происходит в 2--3 раза быстрее. Таким образом, этот способ значительно удешевляет и ускоряет проведение работ, направленных на снижение отрицательного воздействия угольного производства на окружающую природную среду.

Технология ускоренной рекультивации успешно прошла промышленные испытания на предприятиях угольной промышленности в разных регионах страны. Испытания показали положительные результаты по восстановлению плодородия нарушенных земель, возможность эффективного использования рекультивированных земель для выращивания ценных сельскохозяйственных растений в качестве кормовых культур в подсобных хозяйствах предприятий. Восстановленные земли могут быть также возвращены в сельское хозяйство. Таким образом, возникает дополнительная возможность реализации программы по обеспечению подсобных хозяйств кормовой базой.

По новой технологии на предприятиях отрасли рекультивировано 887,4 га нарушенных земель. Хозрасчетный экономический эффект составил 1522,3 тыс. руб.

5.5. МЕХАНИЗАЦИЯ РЕКУЛЬТИВАЦИОННЫХ РАБОТ

Рекультивационные работы состоят из комплекса горных, строительных, мелиоративных, сельскохозяйственных, лесохозяйственных и других работ. Для выполнения технологических процессов технического этапа обычно используется основное технологическое оборудование горных предприятий, строительные и мелиоративные машины. Для выполнения технологических процессов биологического этапа применяются соответственно сельскохозяйственная, лесохозяйственная и мелиоративная техника.

В СНГ разработано около 5 наименовании специализированных машин, но ни одна из них не выпускается серийно. За последние годы парк машин общего назначения, пригодных для выполнения рекультивационных работ, более чем наполовину обновился. Однако для предприятий, занимающихся рекультивационными работами, их выделяется недостаточно. Из разработок последних лет предлагается к мелкосерийному выпуску и использованию при рекультивации земель ковш-планировщик для драглайнов и вибрационная машина с гибким рабочим органом.

Ковш-планировщик является сменным рабочим оборудованием драглайна и предназначен для планирования отвалов при их рекультивации, может применяться на всех драглайнах. В настоящее время разработаны конструкция и рабочие чертежи ковша-планировщика с отвалом для драглайнов с тяговым усилием до 70 т. Применение ковшей-планировщиков позволит при проведении рекультивационных работ обходиться без бульдозеров. Суммарное увеличение производительности экскаватора -- в 1,5--2 раза.

Вибрационная машина с гибким рабочим органом (вибротранспортирующее устройство) предназначена для повышения интенсивности отсыпки автомобильных отвалов без применения бульдозеров. В настоящее время разработано несколько конструкций этого устройства. Простота, компактность, отсутствие трущихся деталей, надежность в эксплуатации, легкость при обслуживании и управлении, отсутствие мощных бетонных фундаментов позволяют рекомендовать их к использованию на автоотвалах. Вибротранспортирующее устройство устанавливается под углом к горизонту, что под действием сил гравитации при уменьшенных за счет вибрации коэффициентах трения и сцепления позволяет транспортировать породу под откос отвального яруса. Разгрузка породы из автосамосвала производится непосредственно на виброплощадку.

По сравнению с применяющимся на практике бульдозерным способом отвалообразования пропускная способность отвального фронта с использованием вибротехники повышается в 4,2 раза и на 83% сокращается парк бульдозеров. Эксплуатационные расходы снижаются на 141 тыс. руб. в год, капитальные затраты -- на 303 тыс. руб. Ежегодный экономический эффект составляет 171 тыс. руб. Кроме того, резко повышается безопасность ведения отвальных работ. Учитывая высокую эффективность устройства, предлагается его использование на всех автоотвалах с целью ускорения отвалообразования, совмещения отвалообразования на 100% с технологическим процессом первичной планировки и снижения трудовых затрат.

5.6 ОХРАНА ЗЕМЕЛЬНЫХ РЕСУРСОВ

Охрана земельных ресурсов при открытой добыче полезных ископаемых -- наиболее актуальная научно-техническая проблема, связанная, прежде всего, с минимально возможным изъятием земель под горные работы.

Одним из действенных и эффективных направлений в области охраны, рационального использования и воспроизводства земель является оптимизация землеотведения и землепользования, под которой понимается рациональное экологически и экономически обоснованное, технологически обусловленное размещение предприятий на определенной территории, изъятие и использование, рекультивация и возвращение восстановленных земель, при которых обеспечиваются объективно необходимое (или неустранимое) на современном научно-техническом уровне прямое или косвенное воздействие на земли или преобразование техногенных ландшафтов в целесообразные продуктивные антропогенные ландшафты (водоемы, парки, спорткомплексы и т. д.).

Задачи оптимизации землепользования решаются последовательно на региональном и локальном уровнях. Сначала определяется целесообразность размещения горного предприятия в определенном регионе с использованием показателей удельной землеемкости горного производства для конкретных условий. Далее решаются задачи оптимизации землепользования в границах землепользования горного предприятия.

В перечень оптимизационных мероприятий (технологических и организационных) по охране земель при открытой добыче угля входят:

- оптимизация параметров породных отвалов и карьерных полей;

- рациональная раскройка месторождения на карьерные поля, оптимизация размеров в плане и последовательности их отработки;

- оптимизация параметров горных работ при выемке и складировании вскрышных пород во внутренний отвал;

- технология доработки (погашения) месторождения;

- технология и организация засыпки выездных траншей и остаточных выработанных пространств;

- рекультивация нарушенных земель;

- восстановление гидрогеологического режима восстанавливаемых территорий.

Оптимизация параметров карьерных полей предусматривает сокращение площадей теряемых земель под выездной траншеей и остаточным выработанным пространством на основании установленных закономерностей изменения удельной землеемкости горных работ и коэффициента рекультивации отработанных площадей на весь срок существования разреза для различных схем вскрытия.

Раскройка месторождений на карьерные поля основывается на их оптимальных размерах в плане при рациональном землепользовании с учетом граничного коэффициента вскрыши, производительности разреза по добыче и вскрыше, срока его существования и параметров технологии и применяемого оборудования. Последовательность отработки карьерных полей предусматривает уменьшение площади земель, отводимых под внешние отвалы вскрышных пород и объема остаточных выработок за счет совмещения во времени и пространстве горно-капитальных и эксплуатационных работ. Например, формирование разрезной траншеи осуществляется в период отработки по простиранию залежи первоочередного участка минимальной ширины с внутренним отвалообразованием.

Оптимизация параметров отвалов горно-капитальной вскрыши основывается на установлении высоты (при объеме и углах откоса отвала, регламентируемых нормативными документами), при которой отчуждаемая площадь минимальная и восстановление земель максимальное. Оптимизация параметров горных работ при выемке и складировании вскрышных пород во внутренний отвал включает такое перераспределение высот вскрышных уступов и отвальных ярусов, производительности оборудования, при которых уменьшается объем планировочных работ и расширяется область рекультивации земель для сельскохозяйственного производства при заданных объемах добычи угля. Восстановление нарушенных земель включает проведение горнотехнической и биологической рекультивации тех площадей, которые не удалось сохранить и которые по технологическим и экономическим соображениям могут быть восстановлены в короткие сроки при минимальных затратах.