Вплив процесів видобутку залізних руд на стан навколишнього середовища та екологічну безпеку у Криворізькому гірничовидобувному регіоні

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ІНСТИТУТ ГЕОХІМІЇ НАВКОЛИШНЬОГО СЕРЕДОВИЩА

НАН та МНС України

Малахов Ігор Миколайович

УДК 504.55.622

Автореферат

дисертація на здобуття наукового ступеня доктора геологічних наук

ВПЛИВ ПРОЦЕСІВ ВИДОБУТКУ ЗАЛІЗНИХ РУД НА СТАН НАВКОЛИШНЬОГО СЕРЕДОВИЩА ТА ЕКОЛОГІЧНУ БЕЗПЕКУ У КРИВОРІЗЬКОМУ ГІРНИЧОВИДОБУВНОМУ РЕГІОНІ

21.06.01.- екологічна безпека

Київ, 2006

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано у відділенні морської геології та осадочного рудоутворення ННПМ НАН України.

Науковий консультант: доктор геол-мін. наук, професор, член-кореспондент НАН України Куліш Євген Олексійович зав. відділом Інститут геохімії навколишнього середовища НАН та МНС України.

Офіційні опоненти:

доктор геол-мін. наук, професор, член-кореспондент НАН України Бєлєвцев Рудольф Якович, зав. відділом Інститут геохімії навколишнього середовища НАН та МНС України;

доктор геол-мін. наук, професор, Галецький Леонід Станіславович, зав. відділом Інститут геологічних наук НАН України;

доктор геологічних наук, професор, Плотніков Олександр Володимирович, заступник директора з наукової роботи Криворізького економічного інституту Київського національного економічного університету.

Провідна установа: Інститут проблем природокористування та екології НАН України, м. Дніпропетровськ.

Захист відбудеться 23 березня 2006 р. об 11.00 на засіданні спеціалізованої вченої ради СРД 26.192.01 при Інститут геохімії навколишнього середовища НАН та МНС України за адресою: 03680, Київ, пр. Палладіна, 34а.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту геохімії, мінералогії та рудоутворення НАН України за адресою: 03680, Київ, пр. Палладіна, 34.

Автореферат розіслано 8 лютого 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат геологічних наук К.І.Жебровська.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Попри всі відмінності у концепціях природокористування, єдиним ґрунтом сучасної людської цивілізації, як і мільйон років тому, залишаються невідновлювальні мінеральні ресурси. Невідновлюваність ресурсів, що вилучає з навколишнього середовища гірничовидобувна промисловість є специфічною особливістю цієї галузі, на відміну від лісівництва, сільського господарства тощо. У цьому питанні з часів палеоліту людство залишається на позиціях мисливців-збирачів - тип привласнюючої економіки. Тому процеси видобутку мінеральних ресурсів значною мірою впливатимуть на формування систем захисту життєво важливих інтересів людства від загроз, що створюються у надрах внаслідок видобування мінеральної сировини.

Після періоду різкого падіння обсягів виробництва товарної залізної та марганцевої руди з початку 90-х років, упродовж останніх 10 років, у гірничовидобувній галузі України спостерігається стійка тенденція зростання видобутку. У 2004 цей обсяг сягнув майже 80 млн.т. Гірничо-металургійний комплекс, як і в минулому залишається потужним джерелом існуючих і можливих у майбутньому загроз довкіллю та безпечній життєдіяльності в регіоні.

Техногенні джерела пилу з кар'єрів під час масових вибухів, пилоутворення на відвалах і шламосховищах та під час збагачення бідних руд докладно вивчено в роботах П.В.Бересневича, В.О.Гапона, В.В.Кучеревського В.Ю.Тищука, В.О.Храмцова, М.І.Швидкого й багатьох інших дослідників. Зміни у гідросфері досліджено І.Д.Багрієм, В.С.Білецьким, Т.Н.Кульковою, М.М.Коржнєвим, Й.Д.Маяковим, О.С.Огняником, Е.Е.Соболевським, В.М.Шестопаловим, В.К.Шнейдером і ін. Комплексні дослідження техногенних перетворень у гірничовидобувних і індустріальних регіонах висвітлено у роботах І.Д.Багрія, Р.Я.Бєлєвцева, Л.С.Галецького, М.Ф.Глазовського, М.Г.Демчишина, В.Ф.Котлова, М.М.Коржнєва, Й.Д.Маякова, Рудько Г.І., І.Д.Рівкіна, Е.В.Соботовича, Є.Ф.Шнюкова, Є.О.Яковлева. Керування технологічними процесами з метою зменшення впливу процесів добування на стан довкілля в Кривбасі обговорювалося в роботах М.І.Дядечкіна, Г.М.Малахова, О.Р.Черненко, А.Г.Шапаря. Питанням формування ландшафтів у регіоні присвячені роботи І.А.Добровольського, В.Л.Казакова, А.Ю.Мазур, Паранько І.С., М.Г.Сметани, В.І.Шанди.

Зміна екологічних параметрів довкілля та його забруднення внаслідок ведення гірничих робіт, має, як правило, комплексний характер. Відбуваються зміни у геоморфології, формуються техногенні геохімічні провінції, утворюється нова гідрогеологія. Першоджерелом змін у навколишньому середовищі Кривбасу, як в інших залізорудних басейнах, є техногенні перетворення у геологічному середовищі внаслідок видобутку залізних руд, яким приділено значно менше уваги порівняно з вивченням екологічних проблем у біосфері.

Представлена дисертація - робота екологічного напрямку присвячена дослідженню впливу гірничовидобувних робіт на техногенні перетворення у геологічному середовищі Криворізького родовища залізних руд у зв'язку з екологічною безпекою у регіоні.

Зв'язок роботи з науковими програмами, темами. Дослідження є складовою частиною міжгалузевої регіональної програми “Кривбас-90”; науково-дослідної роботи “Разработка и внедрение поточно-цикличной технологии подземной добычи железных руд, обеспечивающих резкое повышение производительности труда и рациональное использование недр Кривбасса”, (РН 08.01.10), № ГР 81047179; проблема: “Геоекологія Криворіжжя і Азово-Чорноморського узбережжя”, № 0101U004730 .

Фактичний матеріал. В основу роботи покладені первинні матеріали дослідження геологічного середовища і процесів видобутку залізних руд Криворізького відділу ВМГОР ННПМ НАН України, геологічної експедиції “Кривбасгеологія”, данні моніторингу стану навколишнього середовища Міської СЕС Кривого Рогу та регіональної інспекції Міністерства екології, особисті спостереження й дослідження автора.

1. Визначити витоки, джерела й загрози техногенних перетворень біосфери й геологічного середовища під впливом гірничих робіт.

2. Виявити чинники і тенденції впливу гірничовидобувних робіт на довкілля і екобезпеку.

3. Дати оцінку техногенним перетворенням внаслідок видобутку залізних руд геоморфологічних і геологічних структур, гідро і атмосфери, біогеоценозів Кривбасу.

4. Прогнозувати розвиток техногених перетворень у навколишньому середовищі.

5. Обгрунтувати технологічні та еколого-економічні засоби управління екобезпекою в регіоні.

Об'єкт дослідження - Геологічне середовище Криворізького залізорудного басейну, що знаходиться під впливом технологічних процесів видобутку залізних руд.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Доведена необоротність трансформації природного середовища у техногенну екосистему, зумовлена вилученням з I, II, IV, V, VI залізистих горизонтів Криворізької залізорудної серії більш як 6 млрд. т залізних руд.

2. Встановлено порядок величин об'ємів механічних зрушень у геологічному середовищі (17 км³) та загальний обсяг (100 км³) надр, зазнавших трансформації внаслідок інтенсивної розробки родовищ залізних руд, що обумовило ланцюжок необоротних змін у складових ландшафту на території, що має порядок 10³ км².

3. Запропонована стратегія управління екобезпекою у гірничовидобувному регіоні, яка полягає в: а) обмеженні впливу гірничих робіт на природне середовище за межами техногенної екосистеми через запровадження підземної розробки магнетитових кварцитів новими циклічно-поточними технологіями; б) забезпеченні екобезпеки на урбанізованих територіях шляхом розгортання масштабного підземного видобутку залізистих кварцитів та еколого-економічних методів стимулювання освоєння антропогенних структур, що збільшує екологічну нішу населення регіону.

Теоретичне значення отриманих результатів визначається використанням результатів дослідження для вирішення фундаментальних проблем екологічної безпеки в найбільшому у Європі залізорудному басейну і полягає у тому, що на основі аналізу стану складових екосистеми гірничовидобувного регіону доведена необоротність трансформації природного середовища у техногенну екосистему, внаслідок великомасштабного, невідтворювального вилучення залізних руд з геологічних структур залізорудної серії.

Практична значення отриманих результатів визначається:

- використанням результатів дослідження для оцінки й прогнозування впливу гірничовидобувних робіт на стан довкілля;

- новими методичними підходами у визначенні основних закономірностей і зв'язку гірничовидобувних робіт, стану навколишнього середовища та екологічної безпеки у Криворізькому гірничовидобувному регіоні;

- рекомендаціями до методичних основ стратегії екобезпеки у Кривбасі;

- рекомендаціями до проектування циклічно-потокових технологій.

Особистий внесок здобувача. Автором розвинуто метод аналогій для теоретичного обґрунтування репрезентативності об'єкту дослідження, порівнюючи світові тенденції розвитку глобальної екологічної кризи з особливостями змін у складових навколишнього середовища у Кривбасі. Визначені основні зв'язки між техногенними процесами у надрах під впливом видобувних робіт та станом довкілля й екобезпекою в регіоні. Особисто здійснено моніторинг та польові дослідження техногенних змін у ландшафтах і геологічному середовищі внаслідок гірничовидобувних робіт. Послідовно виконано систематизацію, інтерпретацію й узагальнення масиву різнорідних й різночасових даних про розвиток змін у різних складових навколишнього середовища. Теоретичне осмислення одержаних результатів дозволило обґрунтувати факт необоротної трансформації довкілля й переходу його до техногенної екосистеми внаслідок техногенезу у геологічному середовищі, обумовленому гірничими роботами. Застосування методів прогнозування дозволило сформулювати нову стратегію екобезпеки в регіоні, що спирається на комплекс технологічних і еколого-економічних методів і може контролюватися за допомогою критеріїв техногенезу і якості життя.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації повідомлені і обговорені на науковій конференції “Оптимізація подземных горных работ на рудниках.”(Институт горного дела, Сибирское отделение АН СССР, Новосибирск 1989); міжнародній науковій конференції “Ecologikal Approaches on Еnvironmental and Health in Urban Areas in Central and Eastern Europe”( Катовице/ Краков, Польща,1992); науково-практичній конференції “Екологія Кривбасу- проблеми й перспективи” (Кривий Ріг, 1993); ”Ландшафтогенез-2000: Філософія и геграфія. Проблемы постнеокласичних методологій” (Київ,1996, 1998); 7-я международная конференция “Greening of Industry” (Рим, Италия,1998); 4-й міжнародний симпозіум та виставка “Environmental Contamination in Central and Eastern Europe”. (Варшава, Польща, 1998); Науковий Семінар “Contaminated Land Problems in Central and Eastern Europe (Катовице, Польща, 1998, 1999, 2000); Міжнародний теоретико-методологічний семінар “Implementing Ecological Integrity” (Будапешт, Угорщина, 1999); 5-й міжнародний симпозіум та виставка “Environmental Contamination in Central and Eastern Europe” (Прага, Чехія, 2000), 5-й міжнародна конференція “Етика і екологічна політика; Бізнес-стиль та стійкий розвиток” (Київ, 2003); науково-практична конференція “Проблеми екології та екологічної освіти” (Кривий Ріг, 2003); Вчених Радах відділення морської геології та осадочного рудоутворення НАН України (Київ, 2001-2004)

Публікації. Результати дисертаційної роботи викладені у 40 наукових роботах, у тому числі у 4 монографіях, основні з яких приведені в авторефераті. У фахових виданнях ВАК опубліковано 28 (13 без співавторів).

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, 6 розділів, висновків, списку джерел використаної наукової літератури та додатків. Робота викладена на 257 сторінках загального тексту, із них 35 таблиць, 40 рисунків. Бібліографія включає 303 джерела вітчизняної та іноземної літератури.

Дисертація виконана у відділенні морської геології та осадочного рудоутворення ННПМ НАН України. Науковий консультант доктор геолого-мінералогічних наук, професор, член-кореспондент НАН України Куліш Євген Олексійович, якому автор висловлює щиру подяку. Користуючися нагодою, хочу вшанувати пам'ять академіка НАНУ, доктора технічних наук, професора Малахова Г.М., з им'ям якого пов'язано, більш як 10 спільних наукових робіт. Автор глибоко вдячний також доктору геолого-мінералогічних наук, професору, академіку НАН України Шнюкову Є.Ф. за підтримку і допомогу в обговоренні напрямків та результатів наукової роботи. Автор щиро вдячний за надання консультацій: доктору технічних наук, Личичеко Г.В., докторам геолого-мінералогічних наук, професорам Коржнєву М.М., Паранько І.С., за надання фактичного матеріалу та консультацій доктору біологічних наук, професору Сметані М.Г., Т.М.Кульковій, Й.Д.Маякову, за допомогу в оформленні роботи О.І.Храмцовій, Н.О.Логвіновій.

КОРОТКИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Розділ І. Аналіз концептуальних засад розвитку екологічних криз та їх зв'язок із видобутком мінеральних ресурсів. З метою виявлення закономірностей трансформації геологічного середовища родовища залізних руд Криворізького залізорудного басейну під впливом гірничовидобувних робіт та наслідків для навколишнього середовища й екологічної безпеки було проведено аналіз концепцій природокористування, світових тенденцій розвитку видобутку залізних руд. Установлено місце й роль процесів видобутку мінеральних ресурсів у сучасній глобальній екологічній кризі.

Розділ 2. Методологічні аспекти еколого-геологічно оцінки тенденцій розвитку видобувних робіт. Загальний обсяг мінеральних ресурсів, що утягуються щорічно в господарський обіг наприкінці ХХ століття за оцінками Певзнера М.Е. і КостовецькогоВ.П. сягало 10 т / людину. У відходи, за різними джерелами потрапляє, від 98 до 90% мінеральної сировини. Це й обумовлює характерні риси техногенних ландшафтів - полігони відходів і промислові зони. Їх площа на землі, у 60-ті роки охоплювала 4,5 млн. км² (Котлов М.Ф.), тобто близько 3% суші. У 2000 році, за даними Світового банку, вона перевищувала 6,0 млн. км² . Для одержання тони стали потрібно 5,3-7 тонн залізорудної сировини. У процесі добування цієї кількості виймається з надр, переміщується й розташовується, здебільше на поверхні, до 60 т гірничої маси. Видобуток 1 млн. т залізної руди порушує від 14 до 640 га земель, марганцевої руди - 76-600 га, вугілля - 2,6-4,3 га. Кожен кілограм золота, вироблений у США, залишає на поверхні переміщені з надр 3000 т гірських порід. Загальна цифра гірничої маси, яка вилучалася з надр і була переміщена на поверхні щорічно, наприкінці ХХ століття оцінювалася у (5,0-9,5)·10¹⁰ т. Ці цифри річних обсягів, приблизно відповідають сумарному видобуванню гірничої маси впродовж тридцяти років, з 1950 до 1980 років (Гірниче Бюро США). Згідно нашим підрахункам, загалом, за останні п'ятдесят років із надр на поверхню переміщена гірська порода масою 2·10¹¹- 10¹² т. На земній кулі існують тисячі місць, де на обмеженій території, порядку (2-6)х10² км² річний видобуток мінеральних ресурсів сягає 10⁷- 10⁸ т/рік із пропорційним залученням до техногенної трансформації 10⁰- 10¹ км³ земної кори. Тільки у Криворізькому залізорудному басейні за 120 років добуто (2,6-3,0)·10⁹ т залізної руди.

Зростання обсягів видобутку мінеральної сировини викликає відповідне зростання енерговитрат для технологічних потреб. На Криворізькому металургійному комбінаті фактичні енерговитрати складають близько 12000 кВт/т. За даними Г.К. Келлога, Б. Коммонера в США на виплавку тони чавуну в 70 - 80 роки витрачали 7470 - 7530 кВт-годин.

Стоп'ятдесятирічна історія США ілюструє, що зміни технологій відбивалися у зміні пріоритетів добування й споживання паливних ресурсів. Але, незмінною залишалася тенденція: чим вище рівень життя, тим вище рівень споживання енергії, а кожна зміна технологій супроводжувалася збільшенням темпів росту споживаної енергії. Принципово, що протягом XX століття споживання енергії зросло на порядок, а к.к.д. лише на 15-19%.

Зазначені світові тенденції знаходять відображення у промислових розробках залізних руд Кривбасу. Зокрема виявлена періодична зміна пріоритетів у застосуванні відкритого та підземного способів розробки покладів, табл. 1. Поряд з часовим, у табл. 1 визначено чільний фактор, що, на нашу думку, обумовлює пріоритетність того чи іншого способу розробки. У тому випадку, коли потрібно було різке збільшення обсягів видобутку сировини з низькою собівартістю, без урахування екологічного фактора, пріоритет віддавався відкритим гірничим роботам. Підземні роботи більшою мірою відповідають вимогам охорони навколишнього середовища, зокрема, збереженню земельних ресурсів. Проте не можна не помітити, що упродовж усієї історії розробки. криворізьких залізних руд кожна наступна зміна пріоритетів у способах видобутку лише підсилювало техногенний тиск на навколишнє середовище. Носієм техногенних змін у геологічному середовищі є технології розробки родовищ, на вибір яких значною мірою впливають обсяги видобутку руди.

Таблиця 1. Хронологія змін пріоритетів у способах добування залізної руди

Розглянуті вище факти й цифри указують, що до сьогодні превалює екстенсивна компонента у загальному процесі розвитку суспільства, що відбиває історія гірничовидобувних робіт у Кривбасі. Науково-технічний прогрес у видобувних галузях виявляється в перевазі збільшення потужностей і продуктивності машин, агрегатів, устаткування. Зміна фізичного принципу дії виступає вторинним явищем, підлеглим ідеї нарощування потужностей, продуктивності й обсягів.

Періоди розвитку Кривбасу указують на тісний зв'язок цього регіону зі світовими тенденціями техногенезу, що указує на його репрезентативність, як об'єкта дослідження процесів техногенезу у геологічному середовищі, де “Техносфера на сучасному етапі виходить за межі біосфери, як в атмосфері, так і особливо в літосфері. Частина літосфери, включена до господарчої діяльності (інакше кажучи, літосферна складова техносфери), в подальшому розглядається як геологічне середовище” (Є.Ф.Шнюков і М.Г.Демчишин, 1993).

З переглянутих робіт випливає, що автори, аналізуючи періоди розвитку кризових явищ, не враховували техногенез у геологічному середовищі внаслідок вилучення мінеральних ресурсів, що є критичним критерієм наших стосунків із природою.

Розглянутий приклад розробки одного з найбільших у світі родовищ залізних руд, із більш як 120-річною історією, указує, що прояви цього явища у Криворізькому залізорудному басейні мають досить тісний зв'язок із світовими тенденціями техногенезу. Наявність таких спільних рис дозволяє говорити про репрезентативність Криворізького залізорудного басейну, як об'єкта дослідження процесів техногенезу у геологічному середовищі.

Розділ 3. Реконструкція природного ландшафту і геологічного середовища Криворіжжя. Територію басейну відносять до зони північних і середніх степів. У межах басейну ландшафт поділяється на два типи: степовий і заплавний. Місцевість являє собою степову рівнину зі слабким нахилом на південь, із розвинутим флювіальним рельєфом.