Геоэкологические проблемы разведки и разработки месторождений полезных ископаемых

При разработке месторождений полезных ископаемых в атмосферу могут выделяться и другие газы: сернистый газ, углекислота, окись углерода, сероводород, водород, азот, гелий, радон и др. Общее их количество в земной атмосфере незначительно (исключая азот), однако в масштабе отдельных предприятий могут возникать различные аномалии, влекущие за собой негативные последствия.

В таблице 3 приведены данные о видах и источниках загрязнения при открытом и подземном способах разработках.

Существенная роль в загрязнении воздушного бассейна принадлежит обогатительным фабрикам и цехам переработки добытых полезных ископаемых, хвостохранилищам и шламонакопителям.

Таблица 3 Источники и виды загрязнения воздушного бассейна при открытом и подземном способах разработки

Выделяются неорганизованные (рассредоточенные) и организованные (сосредоточенные) выделения или выбросы в атмосферу. К группе неорганизованных относятся: выделения, определяемые ветровой эрозией (дефляцией) нарушенных участков земной поверхности, в том числе открытых горных выработок, отвалов, складов, хвосто- и шламохранилищ; химические газовыделения по всей технологической цепи горного производства при буровзрывных работах, экскавации, транспортировании, погрузочно-разгрузочных работах на складах добытого полезного ископаемого и пр. Источники неорганических выбросов рассредоточены на относительно больших территориях. Их расположение, параметры (площадь, объемы) могут определяться во времени и пространстве. Ряд источников неорганизованных пылегазовыделений обладает периодичностью действия. Эта периодичность, а также интенсивность пылегазовыделений зависят от природно-климатических условий (скорости ветра, количества и периодичности выпадения атмосферных осадков, температуры воздуха, мощности снежного покрова и пр.), расположения источников пылегазовыделений по отношению к розе ветров. Уже при скорости ветра 2 м/с сухая пыль сдувается с поверхности техногенных образований и переносится на значительные расстояния. При этом концентрация пыли значительно превышает допустимые значения.

Предприятия горной промышленности можно также упрекнуть в том, что они поставляют потребителям недоброкачественное сырье (например, уголь, сланцы и нефть с высоким содержанием серы, руды с вредными примесями), использование которого сильно загрязняет атмосферу.

Вызываемое человеческой деятельностью загрязнение земной атмосферы на 90% представлено газами и на 10% -- аэрозолями. Эти источники загрязнения сконцентрированы в отдельных промышленных районах, в основном в странах северного полушария. Наиболее обильное пылеобразование происходит на горных предприятиях, разрабатывающих месторождения открытым способом (карьерах, разрезах, каменоломнях), особенно в засушливых и ветреных районах.

По немногим публикациям [2,5,8,22], освещающим вопросы загрязнения атмосферы рудниками (шахтами), обогатительными фабриками и металлургическими заводами, можно констатировать, что основная масса пыли выбрасывается в атмосферу рудоперерабатывающими предприятиями.

Так, на территории рудного пояса юго-восточной части штата Миссури (США) содержание металлов, вынесенных в атмосферу с пылью при добыче и переработке руды, а затем сконцентрированных в верхнем слое почвы толщиной до 25 мм, составило: свинца -- 147,4--276,2 мг, цинка -- 40,7--95,1 мг, меди -- 6,7--17,1 мг и кадмия -- до 2,3 г на 1 м³ почвы. В Уэльсе выявлены участки, почвы которых загрязнены цинком, свинцом, кадмием и медью. Содержание их на загрязненных участках выше, чем в нормальных почвах: свинца в 90, цинка в 31, кадмия в 15 и меди в 2,1 раза [6].

По продолжительности нахождения загрязняющих веществ в атмосфере их можно разделить на две группы: 1) с непродолжительным временем пребывания в атмосфере, которые, как правило, концентрируются в пределах сравнительно небольших районов; 2) находящиеся в атмосфере длительное время, которые распространяются над обширными территориями (табл. 4).

В стратосфере загрязняющие вещества держатся в течение несравненно более продолжительного времени, чем в тропосфере. В приповерхностном слое атмосферы концентрация этих веществ зависит от погоды, высоты местности, формы рельефа, времени суток и других факторов. Находящиеся в атмосфере загрязняющие вещества подвергается фотолизу и окислению, вступают в химические реакции между собой.

Загрязнение атмосферы горными предприятиями с традиционными способами разработки зависит от геологической природы вмещающих месторождение формаций и от специфики ведения горных работ. Природные факторы определяют в основном газовую загрязненность, производственные -- как газовую, так и пыле-аэрозольную загрязненность.

Таблица 4 Продолжительность пребывания некоторых загрязняющих веществ в атмосфере

Основными загрязнителями атмосферы газами являются угольная, нефтяная и газовая отрасли промышленности. Предприятия по добыче и переработке нефти и газа загрязняют воздух углеводородами главным образом в период разведки месторождении (в нефтяной промышленности -- также во время эксплуатации, когда попутный газ сжигается в факелах). Предприятия по добыче и переработке угля загрязняют атмосферу метаном, в гораздо меньшей степени -- углекислотой.

По результатам исследований, выполненных на хвостохранилище обогатительной фабрики АНОФ-2 ПО «Апатит», установлено, что ежегодно в течение июля - сентября в атмосферу выносится 140-170 тыс. т пыли нефелиновых пород. При скорости ветра 3-5 м/с с 1м пылящей поверхности за сутки переносится в виде «поземки» до 70 кг пород пылеватой фракции. В период активной ветровой деятельности запыление атмосферы в рабочих зонах достигает 23 мг/м при содержании SiO2 в пыли до 32%, а в прилегающих жилых районах городов Апатиты и Кировск - 3-5 мг/м . В отдельных случаях возникают пылевые бури. Осаждаясь, пыль загрязняет почвы, водотоки и водоемы, в том числе оз. Имандра, угнетает растительность.

Загрязнение воздуха газами при ведении горных работ в значительной степени обусловлено применением взрывчатых веществ для отбойки руды (угля) и пород. За год при взрывных работах в атмосферу выделяется около 8 млн. т газов. Количество выбрасываемых в атмосферу пыли и газов зависит от объема взрываемых пород и количества взрывчатых веществ. При массовых взрывах образуется пылегазовое облако объемом до 15-20 млн. м . Высота подъема выбросов определяется сотнями метров, достигая 1500-1600 м. Пылегазовое облако распространяется на значительные расстояния от места взрыва. При массовых взрывах в карьерах Криворожского железорудного бассейна концентрация пыли в воздухе на расстоянии 1-1,5 км в течение часа составляет 6-10 мг/м , что в 15-20 раз превышает предельно допустимые концентрации для населенных пунктов.

Исследованиями состояния воздуха в районах карьеров на различных месторождениях полезных ископаемых установлено, что из пылегазового облака, образованного при массовых взрывах, в течение 1-4 ч в радиусе 2-4 км рассеивается от 200 до 500 т мелкодисперсной пыли, образуется также при бурении взрывных скважин (до 93,3%) и при погрузке горной массы (до 98,4%).

Однако относительное значение этой величины весьма мало по сравнению с естественным газовыделением на шахтах (рудниках). Кроме того, основные компоненты газов взрыва -- соединения инертные, не оказывающие вредного влияния на окружающую среду.

При разработке месторождений газы образуются и при самовозгорании угля, руд и вмещающих пород. Особую проблему создают самовозгорающиеся конусовидные отвалы горных пород (терриконы), содержащие органическое вещество или сульфиды различных металлов, которые, вступая во взаимодействие с кислородом, провоцируют возникновение экзотермических реакций с температурами в центре очага возгорания до 1400^оС.

Формирование высоких (100 м) и сверхвысоких (250-300 м) породных отвалов на открытой местности приводит к возникновению интенсивных местных воздушных потоков.

Как отмечает В.Д.Горлов, скорость ветра существенно (в 1,6-3,3 раза) увеличивается в связи с ростом высоты породных отвалов. Так, приземная скорость ветра 5 м/с на высоте отвала в 300 м увеличивается до 15,6 м/с, а приземная скорость ветра в 10 м/с на высоте отвала в 300 м превращается в ураган со скоростью ветра свыше 30 м/с. Такие скорости крайне отрицательно действуют на работу людей и оборудования, занятых на отвальных работах.

Формирование высоких отвалов создает условия для проявления более интенсивной ветровой эрозии и приводит к значительному запылению прилегающих территорий. По данным И.В.Трещевского, с каждого гектара поверхности отвалов, сложенных породами легкого механического состава, ежегодно выносится за пределы этих земель от 200 до 500 т пыли. Площадь запыления составляет 500 га на 1 га отвальной поверхности. При этих расчетах рекомендуется принимать, что 50% откладывается на землях, прилегающих к отвалам, а 50% пыли длительное время перемещается с воздушными потоками.

Горящие породные отвалы выделяют от 5,3 до 22,6 кг/год оксида углерода на 1 т породы. Самовозгорание породных отвалов и терриконов наиболее характерно для угольных месторождений, где полезное ископаемое характеризуется выходом летучих веществ свыше 20% и содержанием серы более 3% . Установлено, что выделение газов с удельной поверхности такого породного отвала достигает 180 м /ч.

Общеизвестно, каким мощным, по существу глобальным загрязнителем атмосферы является автотранспорт. Подсчитано, что их «вклад» в пылеобразование в отдельных случаях достигает 80-90% общего пылевого баланса карьеров. Запыленность воздуха в районе карьерных дорог в среднем составляет 100 мг/м На подземных работах, где приходится действовать в весьма стесненных условиях, обострилась проблема локальной борьбы с выхлопными газами.

Вынос в атмосферу мельчайших минеральных частиц -- пыли в свободном состоянии и в виде аэрозолей как вид загрязнения воздуха характеризуется тем, что минеральные частицы загрязняют воздушное пространство главным образом вблизи предприятий и на непродолжительное время. Как правило, пыль оседает на почву, на поверхность водоемов, здания, сооружения и растительность и, таким образом, является загрязнителем окружающей среды. Опасность в этом случае тем более велика, что в почве и в водоемах непрерывно накапливаются вплоть до недопустимых концентраций вредные металлы или минералы.

Из приведенных данных следует, что проблему предотвращения загрязнения земной атмосферы предприятиями горной промышленности наиболее целесообразно решать на нижней ступени производства, т. е. непосредственно в среде, окружающей горнорабочих в конкретных условиях каждого предприятия: от обеспечения трудящимся безопасных и комфортных условий труда до их полного вывода из забоев.

Тема 6. (1 час). Влияние горной промышленности на гидросферу

Почти любое проникновение человека в земные недра связано с необходимостью постоянной откачки подземных вод -- рудничных, дренажных, артезианских. В результате этого породные массивы в пределах влияния горных работ или систем скважин осушаются, понижается зеркало грунтовых вод, иссякают источники, снижается дебит водотоков или они вовсе исчезают, ухудшается структура грунтов, проседает земная поверхность, резко снижаются урожаи сельскохозяйственных культур, и, наконец, обедняется или исчезает ранее активно действовавшая в районе, экологическая система.

Влияние горного производства на водный бассейн проявляется в изменении водного режима, загрязнении и засорении вод.

Изменение водного режима. При строительстве и эксплуатации карьеров и разрезов, рудников и угольных шахт, подземных транспортных и коммунальных туннелей и других сооружений существенные осложнения возникают из-за наличия подземных и поверхностных вод: происходит деформация горных выработок, снижается производительность оборудования, усложняется производство буровзрывных работ.

Поэтому отличительной особенностью горного производства является необходимость осушения месторождений полезных ископаемых. С этой целью с территорий намечаемых к разработке месторождений или их участков переносятся поверхностные водоемы и водотоки, и выполняются мероприятия по защите горных выработок от обводнения их подземными водами. Основным способом осушения зоны горных работ является водопонижение путем проведения различных горных выработок, откачки или отвода самотеком, а затем сброса значительных объемов подземных вод в гидрографическую сеть за пределы разрабатываемого участка.

Современный уровень развития техники и технологии водопонижения позволяет успешно решать эту проблему при освоении месторождений со сложными гидрогеологическими условиями.

В практике обычно используют три способа водопонижения - с поверхности, подземный и комбинированный. Первый способ предусматривает сооружение дренажных устройств (скважин, канав, иглофильтров) непосредственно на земной поверхности. При подземном способе средства водопонижения располагают в горных выработках. В последние годы при проходке подземных выработок в обводненных и неустойчивых породах плывунного типа с низким коэффициентом фильтрации используют забойное водопонижение, заключающееся в том, что в забое выработки в горную породу на различную глубину погружают иглофильтры. С помощью рукавов иглофильтры подключают к водосборному коллектору, в котором поддерживают достаточно глубокий вакуум, позволяющий всасывать через иглофильтры воду из обводненного грунта.

Комбинированный способ является сочетанием способа водоснабжения с поверхности и подземного и реализуется, как правило, в два этапа. Вначале с поверхности производится предварительное снижение грунтовых вод, а затем вводится в эксплуатацию система подземного водопонижения.

Естественный режим подземных вод нарушается с момента вскрытия технологическими горными и дренажными выработками первого от поверхности водоносного горизонта и после откачки из него воды. При этом запасы подземных вод сокращаются, а состояние и качество поверхностных вод существенно ухудшается. На значительной площади месторождения образуется депрессионная воронка, размеры которой зависят как от геологических и гидрогеологических условий района месторождения, так и от продолжительности его разработки.

При водоотливе наиболее низкий уровень подземных вод в зоне горных работ приходится на забой проходимой выработки. С углублением выработки понижается и уровень подземных вод. В результате водопонижения уровень подземных вод снижается на площади, превышающей площадь разработки месторождения иногда в десятки и сотни раз.

При осушении месторождений, особенно при открытых горных работах, прежде всего, истощаются запасы высококачественных пресных вод, которые должны использоваться в основном для коммунального хозяйственно-питьевого водоснабжения. Попадая в систему дренажных канав, водосборников и коллекторов, пресные воды загрязняются и приобретают свойства «рудничной воды», а затем загрязняют поверхностные воды. При срабатывании динамических ресурсов подземных вод возникает опасность загрязнения пресных вод минерализованными, что может привести к снижению их качества или сделать вообще непригодными для питьевого использования.

Сброс сдренированных подземных вод, содержащих повышенное количество химических элементов или соединений, при недостаточной очистке приводит к загрязнению поверхностных вод в еще большей степени.

Значительный ущерб народному хозяйству наносится при истощении запасов вод, обладающих бальнеологическими свойствами.

Срабатывание запасов подземных вод, приуроченных к горизонтам, представленным выщелачиваемыми или растворимыми породами, может привести к значительным изменениям инженерно-геологической обстановки. Процессы выщелачивания и последующего карстообразования активизируются как из-за изменения режима вод данного горизонта, так и в связи с уменьшением их минерализации за счет проникновения пресных вод из вышележащих горизонтов или области питания.

Существенное влияние на режим и состояние поверхностных, грунтовых и подземных вод оказывают отвалы и гидротехнические сооружения горных предприятий (гидроотвалы, хвосто- и шламохранилища, водохранилища и пр.).

Крупноплощадные отвалы обладают большой площадью водосбора. Воды атмосферных осадков, или профильтровавшиеся через толщу пород, загрязняются и засоряются и, в свою очередь, загрязняют и засоряют поверхностные водоемы и водотоки. Инфильтрация вод в основании отвалов и гидротехнических сооружений приводит, как правило, к подъему уровня грунтовых вод и заболачиванию прилегающей территории по контуру этих сооружений, а также к подпитке подземных водоносных горизонтов, особенно верхних. По данным А.М.Михайлова, на горных предприятиях КМА инфильтрация из хвостохранилищ препятствует снижению уровня верхнего водоносного горизонта на 50 м. Радиусы подпора при заполнении хвостохранилищ составят 6-8 км.

Отдельные рудники и шахты обычно откачивают из земных недр тысячи или десятки тысяч, а горные предприятия бассейнов сотни тысяч или миллионы м³ воды в сутки. Так, например, откачка подземных вод, подтоплявших карьеры КМА, привела к истощению водоносных горизонтов и нарушила водоснабжение нескольких городов и многих сел и деревень в округе. Это случилось потому, что при проектировании рудников КМА весьма важной считалась задача осушения, она и решалась. А то, что последует за осушением, проектировщики в расчет не принимали.

Вообще практика разработки пластовых месторождений показывает, что радиус депрессионного влияния действующей шахты (рудника) в течение нескольких лет достигает 10 км и более. В отдельных случаях контур депрессионной воронки может пересечь область питания, даже реку или озеро. Кроме того, как уже отмечалось, откачка подземных вод (также нефти и газа), как правило, сопровождается деформациями земной поверхности, в большинстве случаев ее оседанием.

Загрязнение вод. Для горнодобывающих предприятий в отличие от горно-перерабатывающих характерно значительное превышение объемов сточных вод над объемами водопотребления для обеспечения технологических процессов и удовлетворения других потребностей предприятий. Дренажные воды, а также воды, стекающие с поверхности отвалов, не могут без соответствующей подготовки и очистки включаться в замкнутый цикл горного производства. Основной объем их должен отводится. Недоброкачественные рудничные воды при отсутствии сооружений, попадая в поверхностные водоемы и водотоки, загрязняют их. Это отрицательно воздействует на флору и фауну поверхностных вод, а также на флору и фауну лесных и сельскохозяйственных угодий окружающих территорий, санитарно-гигиенические условия местности. Особенно загрязняются дренажные воды угольных месторождений. Выделяются следующие основные загрязняющие вещества в водах, откачиваемых из угольных шахт: взвешенные частицы, главным образом, угольная и породная пыль, частицы глины, хлористые соединения, свободная серная кислота и сопутствующие соли - сульфаты железа, растворенные и взвешенные фенольные соединения, масла. К числу загрязняющих факторов относится также повышенная температура шахтных вод канализационные стоки.

Из-за наличия хлористых и сернистых соединений, а также кальция, магния, натрия и калия шахтные воды без предварительной очистки и нейтрализации не могут быть использованы даже в технологических целях. Рудничные воды могут содержать соли других тяжелых металлов - меди, цинка, марганца, никеля, ртути, свинца, урана и др. Попадая в поверхностные или подземные воды, загрязняющие вещества включаются в природный круговорот. При благоприятных условиях они накапливаются в почвах, донных отложениях, затем переходят в растительность, организмы животных, а через них и воду - в человека.

Геохимические процессы, протекающие в водоемах и почвах в связи с разработкой месторождений полезных ископаемых, во многом сходны с природными, обусловленными с ветровой и водной эрозией, выветриванием горных пород. Однако если природные процессы протекают медленно, существенно не нарушая равновесия между геосистемами и не ухудшая сложившиеся экологические условия, то в результате антропогенной деятельности в связи с резким увеличением загрязняющих веществ это равновесие нарушается и экологическая обстановка резко ухудшается. Вследствие переноса загрязняющих веществ на значительные расстояния локальное воздействие горных предприятий на окружающую среду перерастает в региональное. Особенно велико влияние сброса дренажных вод горных предприятий на сток малых и средних рек, в результате чего он может возрасти в 1,5-3 и более раз. При этом изменяются качество и тепловой режим вод в этих водотоках.

Предприятия горной промышленности США сбрасывают в природные бассейны ежегодно около 7,6 млн. м сточных вод. При этом необходимо иметь ввиду, что рудничные воды загрязнены, как правило, хлористыми соединениями, сульфатными соединениями железа, меди, марганца и перед сбросом должны быть очищены. В США почти 10 тыс. км ручьев и рек и около 12 тыс. га водной поверхности загрязнены водами кислого и щелочного состава, поступающими из угольных разрезов. В США в районе Аппалачей кислотность вод в водотоках на значительном протяжении от мест сброса шахтных вод характеризуется показателем рН = 2, что приводит эти воды в состояние, не пригодное не только для жизнедеятельности водной фауны, но и для технического использования.

В отличие от загрязнения атмосферы, загрязнение водоемов в результате ведения горных работ характеризуется более значительным уровнем. Горные предприятия выносят на земную поверхность из недр целую гамму загрязняющих веществ: нефть, минеральную и каменноугольную мелочь, соли, серную кислоту, вредные и ядовитые металлы и другие нежелательные для контакта с живой природой минеральные и органические образования.

Большие объемы шахтных вод, выдаваемые из недр, обычно связаны с высокой водообильностью разрабатываемых месторождений. Дебит рудничных вод зависит от многих природных и технологических факторов. К природным факторам относятся: режим обводненности района месторождения, наличие в пределах месторождения запертых вод, открытых водоисточников в зоне влияния горных работ, количество выпадающих осадков, проницаемость грунтов и вмещающих пород. Основные технологические факторы -- бурение с промывкой, гидравлическая закладка, гидравлическое подавление пыли.

Обычно рудничные воды несут в себе разного рода загрязнители, и их перед сбросом нужно очищать или перерабатывать как сырье на тот или иной металл. Наиболее распространенными загрязнителями рудничных вод считаются хлористые соединения и свободная серная кислота, которой часто сопутствуют растворимые соли, главным образом сульфаты тяжелых металлов --железа, меди, цинка, марганца, никеля, урана и др. Типичный состав шахтных вод в сравнении с технической водой приведен в табл. 5.

Таким образом, по хлористым и сернистым соединениям, также по содержанию Са, Mg, Na и К шахтные воды превосходят техническую воду в 5-15 раз, что исключает их непосредственное использование без предварительной очистки и нейтрализации даже в технологических целях.

Таблица 5 Химический состав шахтных вод в сравнении с технической водой (по данным В.Н.Мосинец и М.В.Грязнова)

Кислотность и засоленность шахтных вод пагубно влияют на экологическую систему поверхностных водоемов: воды становятся совершенно непригодными для питья, рыбоводства, использования в промышленных целях.

Засорение вод. На многих угольных шахтах и разрезах основным загрязнителем являются твердые частицы угля и пород, которые совместно с солями железа портят внешний вид поверхностных водоемов, нарушают биологическое равновесие в них, в результате чего вымирает рыба.

Часто тяжелые металлы накапливаются, образуя аномальные формирования, как следствие индустриальной деятельности человека. Накопление в почве или в воде таких тяжелых металлов, как кадмий, никель, молибден, цинк, марганец, ванадий, бериллий, теллур, может быть опасно для всего живого. Еще опаснее накопление металлов -- ядов: ртути, свинца, мышьяка, селена. Ряд металлов отнесен к веществам, вызывающим раковые заболевания, в частности мышьяк и хром. Отмечена зависимость заболеваний раком пищевода от концентрации в растениях молибдена [21].

При открытой разработке месторождений полезных ископаемых, расположенных в непосредственной близости от берегов озер, морей и океанов, может возникнуть засорение водного бассейна и, как следствие, измениться характер прибрежной зоны. В.Н.Мосинец и М.В.Грязнов приводят пример значительного ускорения накопления осадков в заливе Сан-Франциско (США), после того как на берегах залива и впадающих в него рек приступили к разработке месторождения золота. За 60 лет было размыто около 2 млрд. м породы. Более половины ее осело в заливе и прилегающих к нему водных артериях. Это привело к значительному изменению конфигурации береговой линии и уменьшению площади залива на 11%.

Тяжелые металлы, попавшие на почву, легко сорбируются гумусом и гидроокислами железа и алюминия и довольно быстро переходят в растения. Например, в помидорах, выращенных на расстоянии 500--5000 м от завода цветной металлургии, свинца содержалось в 5--110 раз, а в клубнях картофеля в 10--170 раз больше, чем на удаленных контрольных делянках [13]. Часто выпавшие на почву тяжелые металлы не задерживаются на месте. В окислительной природной среде они свободно перемещаются вместе с водой.

В различных природных условиях тяжелые металлы ведут себя по-разному. В окислительной природной обстановке (высокая кислотность почвы и придонных вод) свинец, медь, никель, цинк и ртуть более подвижны, чем в нейтральной или щелочной среде (например, в степной полосе). Наоборот, молибден, ванадий и селен легче перемещаются в щелочной среде. Мышьяк же образует растворимые соединения в любой природной обстановке. На поверхности северных болот его ядовитые соединения могут сохраняться сотнями лет, а в жарких пустынных областях они разрушаются меньше чем за год.

К сточным водам горных предприятий нужно отнести и воды поверхностного стока, т. е. воды естественного стока с породных и рудных отвалов, дорог и со всех других объектов, находящихся в пределах горных отводов. Загрязнение водоемов водами поверхностного стока особенно велико в местностях с большим количеством атмосферных осадков.

Горные предприятия могут загрязнять водоемы также отработанными промышленными водами и обычными канализационными стоками, которые в очистные сооружения поступают неритмично и поэтому могут быть подвергнуты необходимой обработке не в полном объеме.

При разработке месторождений полезных ископаемых загрязнение почвы и вод представляет собой во много раз усиленное природное явление, обусловленное ветровой и водной эрозией выходящих на поверхность участков месторождений. Поскольку естественное загрязнение почвы и вод в районе месторождений протекает весьма медленно, оно во многих случаях не нарушает относительно скомпенсированного, биологически безвредного химического равновесия между геосферами или их отдельными частями. В случае же, когда такое равновесие нарушено, например, и воде, немедленно возникают изменения в почве и атмосферных осадках, а затем в растительности и живых организмах, произрастающих и обитающих на прилегающих к месторождениям территориях, и срабатывает закон так называемого наследования человеком содержания химических элементов земли через растения и животных.

Следует иметь в виду, что любое месторождение в своем естественном состоянии аномально, даже если учитывать его геохимические ореолы. Будучи подвергнуто разработке, месторождение, как геохимическая аномалия, как бы расширяет, иногда весьма значительно, свою территорию. Рудничные воды, пыль и аэрозоли выносят в окружающую среду многие химические элементы или образования, которые переносятся в свободном виде или в виде коллоидов поверхностными и грунтовыми водами на большие или меньшие расстояния, загрязняя соответствующие территории.

Нужно также отметить, что вынос рудничными водами химических элементов может продолжаться и после завершения эксплуатации месторождения, т. е. продолжается насыщение этими элементами разросшейся геохимической аномалии, а попросту -- загрязнение почв и вод.

Поэтому гидрогеологические службы должны не только глубже традиционные вопросы, но и разрабатывать методы предохранения подземных вод от загрязнения, изучать поведение загрязняющих веществ в недрах, а также выявлять способы локализации, обезвреживания или устранения особо нежелательных загрязнений в подземных водах и в недрах.

Лекция 4

Тема 7. (2 часа). Механизмы загрязнения и заражения окружающей среды. Специфика воздействия химических элементов на живые организмы и растения

Механизмы загрязнения и заражения окружающей среды. Природа в течение длительного времени создавала равновесие в химическом составе атмосферы, литосферы и гидросферы земного шара. Однако иногда это равновесие локально нарушается либо естественным путем, либо в результате деятельности человека, создавая угрозу загрязнения или даже заражения окружающей среды. Загрязнение -- это засорение окружающей среды в результате природных явлений или деятельности человека. Загрязнение не обязательно содержит составные части, представляющие опасность для здоровья человека. Они могут быть просто неприятны на вид, на вкус или на запах. Заражение -- это такое загрязнение среды, составные части которого опасны для здоровья человека по своей природе или концентрации.

Загрязнение окружающей среды можно контролировать с помощью научных и технических методов, но полная его ликвидация экономически пока неосуществима. Степень уменьшения загрязнения, которой мы хотим добиться, зависит от того, что мы понимаем под загрязненностью и какое количество труда и денежных средств согласны на это затратить.

Любой земной материал, в котором концентрация элемента или соединения значительно превышает его среднее содержание, является потенциальным источником заражения почвы, воды, флоры или фауны. Действует ли он как источник заражения, зависит от того, в каких количествах и в какой форме (доступной для выщелачивания) находится этот элемент или минерал. Известно, что сельскохозяйственные культуры, выращиваемые на почвах с нормальным химическим составом, могут испытывать недостаток в питательных веществах, если основной элемент находится в такой форме, что он не может быть усвоен растениями.

Химическое равновесие в окружающей среде поддерживается благодаря балансу между процессами выделения и поглощения.

С другой стороны, связь между атмосферой, гидросферой, литосферой и биосферой поддерживается процессами переноса посредством атмосферных осадков, движения масс, текущей воды, ветра и льда. Материал или энергия для этих процессов возникают под действием механизмов высвобождения, включая выветривание, эрозию, химические и биохимические реакции. Материалы перестают принимать участие в перемещении под действием механизмов задержания или связывания. Они могут быть физическими (осадконакопление), химическими (выпадение в осадок) и биохимическими (образование органогенных отложений).

Следует еще раз подчеркнуть, что химическое воздействие на окружающую среду может происходить или естественным путем, или в результате деятельности человека. Например, источники рассеянных металлов могут быть как природного происхождения (химическое выветривание материнских пород, вулканическая и гидротермальная деятельность, естественное окисление и т. д.), так и промышленными -- накопление в результате деятельности чело века (сжигание горючих ископаемых, разработка полезных ископаемых, промышленное использование рассеянных металлов, образование свалок и т. д.).

В процессе выветривания из пород могут высвобождаться потенциально загрязняющие вещества. Примером является окисление сульфидных минералов с образованием серной кислоты. Разлагающаяся растительность выделяет сероводород, газ с неприятным запахом, который также может быть превращен в серную кислоту. В результате вулканической деятельности обычно выделяются такие вредные и ядовитые газы, как хлор, фтор, соединения серы, угарный и углекислый газы. Процесс эрозии также высвобождает из пород потенциально опасные вещества, которые распространяются на большие расстояния. Однако скорость высвобождения потенциально загрязняющих веществ в результате естественных процессов, таких как выветривание и эрозия, как правило, очень мала с точки зрения человека. Вулканическая же деятельность протекает достаточно быстро и может вызывать немедленное загрязнение.

Человеческая деятельность, связанная с добычей и переработкой полезных ископаемых ускоряет процессы естественного выветривания в несколько десятков и сотен раз, ускоряя процесс попадания рассеянных элементов (металлов) в окружающую природную среду и способствуя многократной их концентрации.

Специфика воздействия химических элементов на живые организмы и растения. В природе существует ряд элементов, которые необходимы для поддержания жизни -- это, так называемые, питательные вещества. Однако в некоторых концентрациях каждый питательный элемент может стать токсичным и даже смертельным. Вещество считается ядовитым, если оно препятствует росту и обмену веществ любого организма, когда его концентрация превышает норму. Все элементы токсичны, если они имеют высокую концентрацию, а некоторые ядовиты даже при низкой концентрации. Медь, например, очень токсична при сравнительно низких концентрациях, и ее широко используют в растворимых соединениях для уничтожения водорослей. Отравление может быть вызвано незначительной концентрацией высокотоксичного вещества или слишком высокой концентрацией слаботоксичных и даже обычно необходимых веществ.

Кумулятивные яды -- вещества, которые легче удерживаются организмами, чем выделяются,-- особенно опасны и требуют особого обращения. Примерами могут служить селен и кадмий.

Синергическое действие токсичных веществ (т. е. комбинированное действие, имеющее такие последствия, которые не могут быть достигнуты каждым веществом в отдельности) вызывает проблемы в случае с комплексными природными средами, в которые вносятся синтетические вещества.

Особенно важна, с точки зрения токсичности, форма в которой находится ядовитое вещество. Например, соединения ртути или свинца с углеводородами, такими как тэтраэтилсвинец, используемый в некоторых сортах бензина, гораздо более токсичны, чем неорганические соединения тех же элементов, например каломель -- широко используемое в медицине.

Ниже приведена краткая характеристика отдельных химических элементов, проявляющих специфическое воздействие на живые организмы и растения.

Молибден. Металл ядовит в больших дозах. Однако, как и многие другие металлы, он необходим в микродозах для питания животных и человека. Он помогает почвенным микроорганизмам в связывании азота воздуха. Во многих странах молибден добавляется в удобрения, поскольку нехватка этого элемента отрицательно сказывается на сельскохозяйственных культурах

Многие растения, особенно бобовые, например люцерна и клевер, накапливают большие количества этого металла, если они растут на почвах, богатых молибденом, или поливаются водой, насыщенной молибденом. Это избирательное накопление используется в геохимической разведке молибденовой руды.

С другой стороны, избыток молибдена, находящийся в пище животных, нарушает обмен меди в организме, и у животных появляются симптомы, указывающие на недостаток меди. Кроме того, содержание молибдена в пище в количествах более чем 10--20 млн-¹, способствует развитию хронического молибденового токсикоза -- болезнь, которая характеризуется отсутствием аппетита, поносом, потерей полового инстинкта, нарушениями в суставах и иногда чревата гибелью. Зачастую, эти нарушения могут быть скорректированы добавлением в корм меди.

Следует учитывать, что влажные почвы в большей степени концентрируют металлы. Поэтому нужно учитывать возможность появления хронического молибденового токсикоза в районах, расположенных ниже по течению от тех мест, где породы или почвы чрезвычайно богаты молибденом. Эту возможность следует также иметь в виду при использовании земель, богатых органическим веществом, а также илистых или заболоченных.

Фтор. Этот элемент необходим живым организмам в небольших количествах, но может причинять вред или даже быть ядовитым в избыточных дозах. Так, например, общеизвестно, что фосфат кальция -- это основная составляющая материала зубов и костей большинства животных. Когда фтор присутствует в умеренных количествах (до 1 млн-¹) в воде, кости и зубы укрепляются благодаря включению фторидов (фторсодержащих соединений) в фосфат кальция. Однако при концентрациях выше 1 млн^-1 включение избыточного, количества фторидов в вещество зуба приводит к обесцвечиванию и ослаблению зубной эмали вызывая специфическое заболевание - флюороз.

В поверхностную и грунтовую воду фтор попадает обычно в результате растворения природных фторсодержащих минералов или в результате гидротермальной активности. Если водный источник, используемый для питья, содержит больше чем 1 млн-¹ фтора, то его концентрацию следует уменьшить. Обычно это достигается воздействием на воду окиси алюминия или костной золы.

Ртуть. Понять сложные процессы, контролирующие поведение рассеянных металлов в природных водных системах, легче всего, исследуя поведение какого-то одного металла, например ртути.

Ртуть может существовать в твердом, жидком и газообразном состоянии. Растворимость ртути достаточно велика, чтобы превысить стандарты на качество воды. В сочетании с другими элементами ртуть образует разнообразные твердые, жидкие и газообразные соединения. Большая их часть также легко растворима в воде. Важно учитывать также состояние (твердое, жидкое, газообразное или растворенное) и химические формы, в которых ртуть присутствует в системе. Некоторые состояния и химические формы более доступны для организмов или легче усваиваются ими, чем другие, и после ассимиляции некоторые формы становятся более токсичными, чем другие.

Причиной аномально высокой концентрации ртути в водных системах обычно является сброс промышленных сточных вод, содержащих ртуть. Естественные процессы, в том числе биологические, переводят ртуть в различные химические формы. Некоторые из этих форм, особенно чистая ртуть и многие ее органические соединения, летучи и испаряются в воздух над водой. Все растворенные формы в определенной степени поглощаются (или связываются) взвешенными твердыми веществами. В состав твердой фазы входят микроскопические растения и микроорганизмы (планктон). Во многих системах концентрация ртути во взвешенных твердых веществах во много раз больше, чем в воде, где они находятся.

При поедании планктона рыбой, которая потом съедается более крупной рыбой и животными, ртуть переносится по этой пищевой цепи. Так как более крупные виды едят больше и живут дольше, чем мелкие, они накапливают большие концентрации ртути. Рыба промысловых размеров часто содержит ртути в тысячи раз больше, чем вода и взвешенные твердые вещества, находящиеся в ней. При отлове рыбы ртуть удаляется из водной системы и попадает в человеческий организм. Оседание взвешенных твердых частиц и мертвых организмов переносит ртуть из воды в донные отложения. Химические и физические условия в отложениях отличаются от водных, поэтому снова происходит химическое перераспределение и степень поглощения ртути твердыми веществами, вероятно, меняется. Твердые ртутные соединения или минералы также могут осаждаться. Обитающие на дне животные поглощают часть ртути, особенно те, которые питаются твердыми веществами, отфильтровывая их из воды. Донные организмы часто содержат в 1000 раз большую концентрацию этого элемента, чем отложения, которые они населяют. Чаще всего эти процессы ведут к полному перемещению ртути в донные отложения, где она погребается последующим осадконакоплением и оказывается вне досягаемости от химических связей с биологическими системами. Однако, в последствии ртуть в по гребенных отложениях снова может стать подвижной (например в результате проведения дноуглубительных работ или естественной эрозии). Так, с изменением условий хранилище может вновь превратиться в источник.

Кадмий. Кадмий -- редкий элемент; за исключением глинистых сланцев, его содержание в атмосфере, породах, почвах и воде составляет не более 0,2 части на миллион. В природе известно только несколько небольших месторождений сульфида и карбоната кадмия с очень малым содержанием полезного компонента. Однако кадмий присутствует в сульфидных рудах других тяжелых металлов, таких как цинк и свинец из которых он и извлекается.

Кадмий более летуч, чем большинство других тяжелых металлов (точка кипения 790 °С). По этой причине значительные количества кадмия выбрасываются в атмосферу во время переработки цинковых и свинцовых руд преимущественно в виде газа. Газ быстро окисляется и осаждается в виде мелких частиц на окружающую территорию. Это и есть главный источник кадмия для земной среды. Другими важными источниками кадмия являются фосфатные удобрения и необработанные осадки, поступающие на свалку.

Кадмий не несет в себе каких-либо важных биологических функций. Считается, что он действует как яд, в основном вытесняя жизненно необходимый цинк в обмене протеина и ферментов. Отравление кадмием предположительно способствует возникновению гипертонии, развитию болезней почек, эмфиземе, анемии и болезни итаи-итаи. Острое отравление от одной дозы маловероятно, но кадмий имеет способность накапливаться на протяжении всей жизни и способ выведения его из организма не известен.

Основными источниками кадмия для человека являются табак и пищевые продукты. Обычный рацион включает 0,5 мг кадмия в день, из которого около 5 % впитывается через стенки кишечника. В тоже время, одна сигарета содержит только 0,001 мг кадмия, но он намного легче поглощается тканями легких, чем стенками кишечника. Попав в кровь, кадмий переносится в почки и печень, где и задерживается около 2/3 всего его количества.

Селен. Это -- необходимый элемент в пищевом рационе животных и человека. Его минимальное количество составляет 0,03 мг/сут. В дозах 0,075 мг/сут селен оказывает благотворное воздействие на организм. Однако в количестве свыше 3 мг/сут он становится токсичным. В тоже время, плохой урожай чаще бывает при нехватке селена, чем при его избытке, хотя в пище животных и человека предпочтительна нехватка селена, чем его избыток.

Селен встречается во многих сульфидных минералах. Его концентрация в черных сланцах, каменном угле и нефти в 10--20 раз превышает среднее содержание в земной коре. Ряд кормовых культур под общим названием астрагал способны накапливать и сохранять в своих тканях этот элемент, тем самым, являясь угрозой для жизни и здоровья различных животных.

Лекция 5

Тема 8. (1 час). Ближайшие перспективы развития горного дела

Для обеспечения безопасности горного производства и наиболее эффективного использования средств экологической защиты необходимо четко представлять себе перспективы развития геологоразведочных работ на ближайшее время.

При этом следует иметь в виду, что прогнозируемое развитие горного дела характеризуется принципиально новыми тенденциями и направлениями, которые должны быть учтены в процессе разработки мероприятий по охране окружающей среды. Основные из них следующие:

Вовлечение в эксплуатацию все более бедных месторождений
полезных ископаемых и вследствие этого увеличение объемов добычи; концентрация горных предприятий в районах дешевой рабочей силы со сравнительно низкой плотностью населения, где загрязнение окружающей среды не ограничивает ведение горных работ. Эта тенденция диктует необходимость развития горной промышленности главным образом в слабонаселенных районах Восточной Сибири и Дальнего Востока, при ее ограничении в густонаселенных районах европейской части России.

Замещение отрабатываемых источников минерального сырья
новыми источниками не только с соблюдением развитых принципов
максимизации прибыли, но и принципа предпочтительности вовлечения в эксплуатацию месторождений с более благоприятными при
родными условиями по отношению к менее благоприятным при
максимальном использовании добываемого сырья. В условиях бурного научно-технического прогресса реализация этого принципа
весьма положительно сказывается на экономике любой страны.

3.Увеличение глубины открытых и подземных горных работ, что ставит перед горной наукой и техникой принципиально новые задачи по обеспечению устойчивости бортов карьеров, предупреждению горных ударов, проветриванию горных работ, поддержанию выработанного пространства и транспортировке горной массы.

Конструирование и использование горных машин с дистанционным управлением и автономным приводом с использованием главным образом экологически чистых машин с гидро- и электроприводом.

Проведение при производстве горных работ во все возрастающих объемах мероприятий по охране внешней среды от загрязнения, шума, иссушения и нарушений земной поверхности. Все большее значение придается таким горным работам, при которых рекультивируемая поверхность активно преобразуется.

6. Реализация наиболее рациональных и экономически выгодных принципов общей застройки и эксплуатации поверхности, создание замкнутых систем водоснабжения, энергообеспечения, строительства транспортных коммуникаций, линий связи и т. д. с учетом экономики региона, интересов национальных или международных экономических объединений.

Следует иметь в виду, что основная трудность, с которой все чаще сталкиваются геологоразведчики -- это необходимость нахождения «слепых» рудных тел. В ближайшей перспективе - преодоление сложностей разведки дна мирового океана.

В тоже время, анализ стоимости разведочных работ показывает, что сейчас около 77% затрат приходится на детальную разведку месторождений, 12% -- на предварительные стадии поисков и оценки и 11% -- на изучение геологии и гидрогеологии месторождений и регионов. В будущем, наряду с общим повышением затрат на геологоразведочные работы, ожидается повышение доли затрат на изучение инженерной геологии и гидрогеологии (в целях более полного использования недр и сохранения гидродинамических режимов), а также на поиски и оценку, обеспечивающие своевременное решение проблем замещения отрабатываемых сырьевых ресурсов.

В связи с этим, основными направлениями научно-технического прогресса в области геологоразведочных работ следует считать:

разработку и активное внедрение в практику дистанционных методов, средств и приборов позволяющих обнаруживать скрытые месторождения полезных ископаемых, в том числе воздушная и космическая разведка;

совершенствование существующей и создание новой техники
для бурения разведочных скважин;

разработку новых технологий и способов добычи и обогащения минерального сырья из месторождений с низким содержанием полезного компонента;

изучение и комплексное использование техногенных месторождений и отходов производства;

дальнейшее развитие геохимических методов поисков по первичным и вторичным ареолам рассеяния, с применением математических методов анализа и обработки информации, а также использованием ГИС-технологий для составления геологических разрезов и прогнозно-металлогенических карт;

широкое внедрение в горнодобываюшую и перерабатывающую промышленность современных нанотехнологий, позволяющих использовать нетрадиционные источники энергии и получать принципиально новые материалы.

7)изучение подземных геологических структур с целью захоронения в них биологически вредных отходов производства.

В настоящее время ведущее место в мировой добыче минерального сырья занимают открытые горные работы. Их удельный вес составляет около 60%, в том числе 57% в добыче руд различных металлов, 34% -- угля и 97% -- строительных материалов [13].

Обеспечивая, по сравнению с подземными работами, в 3--7 раз более высокую производительность труда и в 2--3 раза меньшую себестоимость добычи, открытые горные работы, тем не менее, требуют значительных капиталовложений в мероприятия по охране окружающей среды. К тому же, помимо фактора истощения приповерхностных месторождений, следует принимать во внимание огромные земельные площади, отчуждаемые под разработку и размещение отвалов пустых пород.

Поэтому, в ближайшей перспективе будет отмечаться рост удельного веса подземных разработок, что в свою очередь заставит решать ряд конкретных задач, связанных с безопасной и эффективной добычей полезных ископаемых с глубоких горизонтов. Среди них наиболее актуальными представляются следующие задачи:

1. Решение проблемы управления горным давлением на больших глубинах, предупреждение горных ударов, улучшение климатических условий труда.

2. Повышение уровня комплексной механизации подземных горных работ до 95%, частичную автоматизацию производственных процессов и переход на программное дистанционное управление горными машинами и комплексами.

3. Изыскание условий ведения горных работ и их организация
при повышенной температуре и влажности.

4. Освоение месторождений в ранее недоступных районах земного шара -- на Крайнем Севере, в Арктике и Антарктике, в пустынях Азии, Африки и Австралии, что связано с преодолением
ряда трудностей использования в этих районах трудовых ресурсов
и решением проблем охраны окружающей среды.

5. Организация разработки месторождений континентального
шельфа, дна морей и океанов, что потребует решения специфических вопросов поддержания горных выработок, их вентиляции и охраны окружающей среды.