Особенности выбора природоохранных технологий для условий открытых горных работ

Основным стратегическим направлением гармонизации открытых горных работ с природной средой при разработке месторождений III-V класса является локализация нарушений компонентов природной среды путем использования природоохранных технологий, научное обоснование параметров их внедрения при освоении месторождений, и, таким образом, реализация известной концепции замкнутого производства. Весь арсенал применяемых для этих целей способов, мероприятий и технологий целесообразно разделить на две группы.

Первая группа включает собственно ресурсосберегающие технологии, под которыми подразумевается технология добычи минеральных ресурсов с минимальным расходом вещества и энергии на всех этапах производственного цикла и с наименьшим воздействием на природные системы и человека. Такие технологии обладают как прямым, так и опосредованным природоохранным эффектом. Например, технология разработки месторождений с внутренним отвалообразованием является ресурсосберегающей технологией за счет экономии энергоресурсов при перемещении вскрышных пород. При этом она обладает и прямым природоохранным эффектом, в связи с исключением необходимости использования дополнительных земельных ресурсов для размещения вскрышных пород за пределами карьера.

Ко второй группе природоохранных технологий относятся применяемые для сохранения компонентов природной среды специальные технологии, которые не имеют непосредственного отношения к добыче полезного ископаемого. К ним относятся широко применяемые в строительстве противофильтрационные устройства "стена в грунте" и другие барражные системы, специальные устройства для подавления пылегазового облака при взрыве, устройства для очистки вод внутрикарьерного водоотлива, специально созданные пыле- и газозащитные древесно-кустарниковые насаждения и др.

При внедрении природоохранных технологий второй группы необходимо учитывать, что при любых горно-геологических условиях разработки на конкретный момент времени существует свой оптимальный уровень снижения техногенного воздействия на природную среду, обусловливаемый, в первую очередь, уровнем развития науки и техники, технологическими особенностями производства, полнотой внедрения новейших технологических решений, ресурсоемкостью реализации природоохранных технологий и нормативно-правовой базой природопользования. Отклонение от него в одну или другую сторону увеличивает суммарное техногенное воздействие на природную среду.

Это объясняется следующим образом. Недостаточное, по отношению к оптимальному, вложение средств на природоохранные цели вызывает существенные потери природных ресурсов сопредельных территорий. Избыточное (по отношению к оптимальному) вложение средств в конкретную природоохранную технологию, несомненно, вызовет дополнительное улучшение экологического состояния территории, однако выход продукции на единицу затрачиваемых природных ресурсов в этом случае снижается, так как часть природных ресурсов изымается из сферы производства продукции и расходуется на создание и эксплуатацию систем зашиты природной среды. Суммарное количество ресурсов, приходящееся на единицу выпускаемой продукции, в этом случае увеличивается, следовательно, обобщенная эффективность природопользования снижается.

Таким образом, теоретически можно утверждать, что горнодобывающая деятельность всегда сопряжена с наличием экологического ущерба. Удовлетворение интересов сторон в существующем конфликте между экономическим ростом и необходимостью сохранения качества окружающей среды в принципе невозможно. В этих случаях приходится говорить о поиске рационального или оптимального решения, которое бы обеспечило в допустимой мере удовлетворение интересов как экологии, так и экономики.

Эта ситуация в самом общем (теоретическом) виде, для различных этапов развития техники и технологии добычи полезных ископаемых представлена на рисунке 1. Оптимальные решения, наилучшим возможным образом удовлетворяющие как экологические, так и экономические интересы, находятся на кривой, обозначенной сплошной линией. Менее выгодные решения находятся внутри области, ограниченной этой линией и осями координат, а решения в области, ограниченной линией оптимума и точкой с координатами (1,1), невозможны.

Рисунок 1 - Определение области компромиссных решений в природоохранной деятельности для открытых горных работ

Для обоснования уровня затрат на реализацию природоохранных технологий второй группы в условиях открытых горных работ необходимо разработать методологию, которая позволила бы за счет использования специальных критериев, получать показатели ресурсопотребления, максимально адекватные реальным экологическим и технологическим процессам.

Приведенная в работах [1-3] система экологических оценок применительно к оценке природоохранных технологий требует некоторых уточнений. Для этих целей в наибольшей степени подходит методика, базирующаяся на критерии интегральной экологической ресурсоемкости, однако и для этой методики необходимо ввести дополнения, касающиеся изложенного выше понятия "оптимального уровня техногенного воздействия".

При оценке природоохранных технологий второй группы важным является установление зависимости "расход ресурсов - экологический эффект". Для определения данной зависимости необходимо оценить как затраты ресурсов, которые необходимы для функционирования природоохранных технологий, так и прогноз предотвращенного экологического ущерба. Прогнозирование максимального, остаточного и предотвращенного экологических ущербов может быть осуществлено моделированием процессов полного цикла освоения месторождения. Основные принципы моделирования приведены в работе [4].

Предотвращенный экологический ущерб от внедрения природоохранного мероприятия по конкретному компоненту природной среды определятся из выражения:

, (1)

где - предотвращенный экологический ущерб; - максимальный экологический ущерб; - остаточный экологический ущерб.

Максимальный экологический ущерб, вызванный горнодобывающей деятельностью по i-му компоненту природной среды отображает возможные экономические и социальные потери, возникающие в результате повреждения данного компонента в случае отсутствия природоохранных мероприятий в применяемых технологиях добычи полезных ископаемых. Он определяется с учетом продолжительности строительства, эксплуатации, ликвидации горнодобывающего предприятия, периодов устранения последствий горнодобывающей деятельности и контролируемого самовосстановления природных компонентов территории.

Остаточный экологический ущерб по i-му компоненту природной среды возникает в случае невозможности полной ликвидации последствий, обусловленных горнодобывающей деятельностью, внедрением природоохранных мероприятий. Он зависит от эффективности природоохранного мероприятия, которая, в свою очередь, обусловлена величиной потребления материальных и энергетических ресурсов на природоохранные нужды.

При внедрении природоохранного мероприятия положительный экологический эффект может наблюдаться по нескольким компонентам природной среды. Например, снижение объема откачивания подземных вод, кроме сохранения подземных водоносных горизонтов, предотвращает воздействие на поверхностные водные системы, земельные ресурсы и биоту в пределах депрессионной воронки.

Нами принята оценка состояния окружающей среды по пяти компонентам.

Графическая интерпретация процедуры оценки и выбора способов и средств защиты природной среды может быть представлена графиком комплексной оценки эффективности (рисунок 2). При этом каждому j-му варианту комплектации природоохранных технологий соответствует точка , абсцисса которой равна величине интегральной экологической ресурсоемкости реализации данного варианта , ордината - показателю экологической эффективности внедрения j-й природоохранной технологии, определяемой по формуле (2).

Рисунок 2 - Графическая интерпретация выбора природоохранной технологии

Положение точки по отношению к точке ("идеальный" вариант) определяется величиной , значение которой рассчитывается по формуле:

, (2)

где - координаты "идеальной" точки; - координаты точки .

Путем сравнения поочередно каждого конкретного варианта , , ,…, с устанавливается его предпочтительность и выбирается наилучший вариант. Условием предпочтительности при этом является:

. (3)

Базовая точка , по отношению к которой устанавливаются преимущества и недостатки конкретного варианта, является важной для излагаемого в статье подхода. Поэтому необходимо уточнить принципы

установления ее параметров применительно к следующим природным компонентам: недрам, почвогрунтам, подземным водам, поверхностным водам, атмосфере.

Показатель экологической эффективности внедрения j-го природоохранного мероприятия задается в безразмерном виде и определяется по формуле:

. (4)

Значение изменяется от нуля (предотвращенный ущерб отсутствует) до единицы (остаточный ущерб отсутствует).

Для установления оптимальных параметров внедрения природоохранных технологий (полноты ликвидации последствий техногенного воздействия) ценным является установление зависимости:

, (5)

где - интегральная экологическая ресурсоемкость j-ой природоохранной технологии; - показатель, отражающий степень восстановления природного компонента, %.

Определение оптимального уровня остаточного техногенного воздействия на природную среду осуществляется с использованием моделей и методик оценки экологиче-

ских ущербов и ресурсоемкости технологий природопользования [5], которые можно успешно применить и к оценке природоохранных технологий. Экологический ущерб от загрязнения окружающей среды возрастает по мере увеличения нагрузки на нее (рисунок 3).

Рисунок 3 - Установление величины рационального остаточного техногенного воздействия на компоненты природной среды

При этом первые порции загрязнения поглощаются окружающей средой, и ущерб природе, хотя и существует, обычно не учитывается в экономических показателях. Каждая последующая порция загрязнения обычно приносит непропорционально больший ущерб, так что зависимость ущерба среде от загрязнения (1) нелинейная. Ущерб можно предотвратить, если задействовать ресурсы на реализацию технологических мероприятий, снижающих техногенные воздействия. Функция этих издержек также нелинейная, потому что затраты на технологические улучшения возрастают непропорционально быстро по сравнению со снижением выбросов. Ясно, что добиться полной ликвидации загрязнения можно только за счет бесконечно больших расходов, то есть это практически невозможно.

На рисунке 3 по оси ординат представлены значения величины экологической эффективности и экологической ресурсоемкости .

По оси абсцисс - показатель , обозначающий степень устранения экологических последствий при внедрении природоохранной технологии, который выражается в процентах. Исходя из приведенных на рис. 3 зависимостей, рациональная степень устранения экологических последствий равняется при величине ресурсных затрат и экологической эффективности , определяемой величиной остаточного ущерба (1). Нахождение рационального значения осуществляется при выполнении условия равенства дополнительных затрат и величины предотвращенного ущерба (рисунок 4), выраженных в единицах интегральной экологической ресурсоемкости.

При оценке величин и для каждого из пяти компонентов природной среды необходимо учесть как особенности внедрения и функционирования природоохранной технологии второй группы, так и особенности подлежащей защите природной компоненты.

Определение рационального уровня остаточного техногенного воздействия на компоненты природной среды осуществляются:

для недр - с учетом нормативов потерь, разубоживания полезного компонента, затрат на сверхнормативное его извлечение и экологического эффекта, получаемого при уменьшении повреждения компонентов природных ресурсов (рисунок 4а);

для почвогрунтов - с учетом возможности достижения первоначальной структуры породного массива (в том числе восстановления первого от поверхности водоносного горизонта), качественных параметров почвообразующего и почворастительного слоя, наличия возможности использования данной территории для других экологически приемлемых целей (рисунок 4б);

для подземных вод (рисунок 4в) - с учетом возможности восстановления гидродинамических параметров водоносного пласта, качественных и потребительских свойств подземных вод;

для поверхностных вод - с учетом возможности восстановления существовавшей на данной территории орогидросистемы и эффективности хозяйственного, рыбохозяйственного или рекреационного использования поверхностных вод (рисунок 4г);

для атмосферы (рисунок 4д) - возможности ликвидации (в рамках предельно-допустимых концентраций) загрязнения атмосферного воздуха без изменения существовавшего микроклимата.

Из рисунка 4 следует, что рациональные параметры функционирования природоохранных технологий для различных компонентов природной среды отличны друг от друга.

Диапазоны изменения рациональных параметров техногенного воздействия открытых горных работ на компоненты природной среды приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Рациональные уровни техногенного воздействия открытых горных работ на компоненты природной среды

Рассмотренный выше подход к выбору структуры параметров функционирования природоохранных технологий в условиях открытых горных работ позволяет выполнить их сравнение на объективной основе, используя для этого численные показатели. Процедура и аппарат установления экологической эффективности существующих технологических решений открытых горных работ могут служить инструментом как для решения многих задач, связанных с охраной окружающей среды, так и для текущих, оперативных задач горнодобывающего производства.

Перечень ссылок

1. Копач П.И. Экологическая оценка технологий природопользования // Препринт АН Украины / Институт проблем природопользования и экологии НАН Украины, - Днепропетровск, 1993.

2. Шапарь А.Г., Копач П.И., Радивилов Ю.В. Интегральная экспертная оценка влияния предприятий на окружающую среду // - Днепропетровск: ИППЭ НАН Украины. - 1996. - 42 с.

3. Копач П.И. Использование критерия интегральной экологической ресурсоемкости при оптимизации горнодобывающего производства. // Сб. научных трудов "Проблемы комплексного освоения недр" НГАУ № 2. - Днепропетровск. - 1998.

4. Шапарь А.Г., Копач П.И. Влияние экологических критериев эффективности освоения месторождений на выбор способа разработки // Горный информационно-аналитический бюллетень. - М.: - 2002. - № 1. - С. 124-129.

5. Шапарь А.Г., Копач П.И. Исчерпаемость минеральных ресурсов, целесообразность и условия их ввода в эксплуатацию // Открытые горные работы. М.: - 2000. - № 4. - С. 57-62.