Геоэкологические проблемы разведки и разработки месторождений полезных ископаемых

6.Выполнение некоторых процессов переработки (грохочения, дробления, измельчения и обогащения руд и углей) непосредственно в подземных выработках рудников и шахт с выдачей готовых концентратов на поверхность по трубопроводам, при одновременном захоронении отходов производства в выработанное пространство.

Следует иметь в виду, что тенденция к переносу процессов обогащения руд и углей в подземные выработки определяет необходимость отрабатывать месторождения снизу вверх с закладкой отработанных участков пустыми породами, забалансовыми рудами или хвостами обогащения. При таком порядке отработки месторождений улучшатся горнотехнические условия на рабочих горизонтах и повысится общая эффективность разработки.

Наряду с пустыми породами и песком в качестве закладочного материала целесообразно использовать забалансовые руды, хвосты обогащения, отходы металлургических и химических производств, тепловых электростанций, что способствует улучшению состояния земной поверхности. Кроме того, с отходами в недра возвращаются, пусть и в незначительных количествах, ценные металлы, потерянные в процессе очистных работ. В результате выщелачивания такой закладки можно извлекать значительную часть содержащихся в ней металлов, таким образом повышая общее извлечение минерального сырья из недр.

В связи с тенденцией повышения уровня механизации и коэффициента использования машин в ряде стран признано целесообразным создание малосерийных или одиночных горных машин для механизации производства в нетипичных горно-геологических условиях.

Кроме того, электрификация рудников, внедрение электрифицированного гидропривода создаст оптимальные условия к внедрению дистанционного управления горными машинами. Использование на подземных горных работах некоторых технических средств, заимствованных из практики открытых горных работ: рыхлителей, стругов, бульдозеров, безрельсового транспорта, в том числе вертикального и горизонтального гидротранспорта, позволит повысить производительность труда и сократить срок окупаемости оборудования.

Из геотехнологических методов эксплуатации недр наибольший интерес представляет метод подземного выщелачивания руд, применение которого способствует положительному решению вопросов охраны окружающей среды.

Таким образом, суммируя отмеченные тенденции развития подземных горных работ, можно так охарактеризовать рудник (или шахту) будущего. Это должно быть предприятие, отличающееся высокой производительностью труда, с преобладанием автоматизированных и полуавтоматизированных комплексов, позволяющих осуществлять предельно высокое использование недр, комплексную переработку сырья и безупречную охрана внешней среды. При этом предполагается сокращение до минимума числа трудящихся подземной группы, создание безопасных и комфортных условий труда; использование самонастраивающихся горных машин по принципу обратной связи с параметрами разрабатываемого забоя.

В связи с интенсивным развитием традиционных и освоением новых способов разработки земных недр возникают принципиально новые проблемы охраны окружающей среды. Эффективность их решения во многом будет зависеть от знания учеными, проектировщиками, эксплуатационниками различных аспектов геомеханики, литологии, экономики, технологии горных работ, гидрологии, умелого и своевременного использования этих знаний при освоении новых богатств земных недр.

Тема 9 (1 час). Специфика экологического мониторинга в пределах действующих и ликвидированных горных предприятий

Для всех способов разработки месторождений полезных ископаемых характерно существенное негативное воздействие горного производства на биосферу, затрагивающее по существу все ее элементы: водный и воздушный бассейны, землю, недра, растительный и животный мир. Это воздействие проявляется в двух основных формах:

выделение в атмосферу веществ и энергии,

потребление ресурсов биосферы.

Для первой формы характерны выделения твердых веществ различного фракционного состава, жидкой фазы, газов и различных видов энергии (тепловой, механической и др.). Вторая форма включает отчуждение земельных участков, потребление полезных ископаемых, водных и растительных ресурсов.

Различают непосредственное (прямое) воздействие горного производства на биосферу и косвенное, являющееся следствием первого. Размеры зоны косвенного воздействия значительно превышают размеры зоны прямого воздействия, и, как правило, в эту зону попадает не только элемент биосферы, подвергающийся непосредственному воздействию, но и другие элементы.

Анализ состояния биосферы в зоне расположения предприятий горно-добывающей промышленности показывает, что проведение эффективных мероприятий по минимизации воздействия горного производства на окружающую среду не представляется возможным без разработки и промышленной реализации горно-экологического мониторинга, являющегося составной частью экологического мониторинга. Под горно-экологическом мониторингом понимается специальная информационно-аналитическая система контроля и оценки состояния окружающей среды в зоне деятельности предприятий горно-добывающей промышленности.

Система горно-экологического мониторинга основывается на ряде базовых положений.

Система должна быть открытой для использования ее в качестве элемента системы более высокого уровня, т.е. Единой государственной системы экологического мониторинга, которая создается в нашей стране в соответствии с
Постановлением Правительства Российской Федерации «О создании Единой государственной системы экологического мониторинга России» от 24 ноября 1993 г. № 1229. В то же время система горно-экологического мониторинга должна
допускать использование в своем составе подсистем более низкого уровня, в том числе достаточно автономных.

Система должна охватывать все горные предприятия, находящиеся в пределах административно-территориальной единицы -- района. Это дает ряд преимуществ как в организации сбора необходимой информации о суммарном воздействии этих предприятий на окружающую среду, так и в эффективности реализуемых природоохранных мероприятий.

3. Информационной основой системы горно-экологического мониторинга является банк данных о природно-климатических условиях горно-промышленного района (с выделением тех элементов, которые определяют экологическую обстановку на территории региона) и характере воздействия горного производства на окружающую среду. Для этого должны быть определены показатели, характеризующие:

¦ состояние, использование и охрану водного бассейна (запасы и качество воды, водопотребление, объем сброшенных стоков, их загрязнение и очистка);

состояние, загрязнение и охрану воздушного бассейна (загрязнение горным предприятием и объектами соцкультбыта, характеристика мер по защите атмосферы);

состояние, использование и охрану земельных ресурсов;

использование недр;

образование, наличие, удаление и использование промышленных отходов.

Часть этих показателей может быть получена по данным статистической отчетности (как это было показано в предыдущих главах) и из экологических паспортов горных предприятий, а для определения других должны использоваться данные горно-экологического мониторинга. В процессе гор-но-экологического мониторинга проводятся измерение, накопление и статистическая обработка данных о величинах показателей каждого из приведенных видов загрязнения.

Система горно-экологического мониторинга должна включать, как минимум, четыре подсистемы наблюдений:

1-я подсистема -- предусматривает организацию (построение) сети стационарных постов наблюдений, укомплектованных приборами для метео- и гидрологических измерений: температуры, давления, влажности атмосферного воздуха, скорости и направления ветра, колебаний уровня грунтовых вод, скорости и направления грунтовых потоков, изменения дебита подземных и наземных коллекторов, температуры воды и поверхности грунта и др.

2-я подсистема -- сеть стационарных постов наблюдений, укомплектованных приборами для измерения характеристик окружающей природной среды, еще не подвергшейся техногенному воздействию, с целью оценки ее исходного состояния, на фоне которого осуществляется техногенное воздействие горного производства. Система включает приборы для измерения газового состава и запыленности атмосферного воздуха, химического состава почв и элементов водного бассейна (грунтовых вод, наземных водоемов, донных отложений), приборы для измерения содержания твердых взвесей в водной среде и содержания влаги в почвах, радиометрические приборы (для оценки радиационного фона), приборы для измерения напряженно-деформированного состояния массива горных пород.

Приборы 1-й и 2-й подсистем должны работать в автоматическом режиме, частота выдачи показаний прибора (периодичность замеров) устанавливается для каждого показателя методикой измерений, учитывающей свойства наблюдаемого объекта и конкретные местные условия (определяющие естественную возможную частоту измерения данного показателя). Диапазон измерения применяемых приборов должен периодически перекрывать пределы возможного изменения величин каждого показателя, а в случае отсутствия такого прибора наблюдательный пост должен быть оснащен двумя (или более) приборами с разными диапазонами измерений.

3-я подсистема включает две сети постов наблюдений.

Первая -- сеть стационарных постов, оснащенных приборами для оценки выбросов непосредственно на источниках. Сюда входят приборы для измерения концентрации вредных веществ и приборы (типа расходомеров) для измерения потока выброса (объемов выброса в единицу времени), поскольку количество попадающих в окружающую среду вредных веществ и их накопление в осадках (или во взвешенном состоянии в локальных точках пространства) определяется не только их концентрацией, но и величиной выбросного потока (мощностью выброса).

Вторая -- сеть передвижных станций, оснащенных приборами для измерения концентраций вредных веществ на различных расстояниях от источника в зоне преобладающего (господствующего) направления выбросного потока и в местах вероятного накопления компонентов выброса.

Приборы первой сети работают в автоматическом режиме круглосуточно, приборы второй сети применяют выборочно с периодичностью, установленной методикой наблюдений для конкретных условий объекта. В случае выявления особо опасных мест накопления вредных веществ или длительного поддержания их опасных концентраций возможна установка в этих местах на какое-то время стационарных постов наблюдений с помощью приборов второй сети.

4-я подсистема -- сеть стационарных постов, укомплектованных приборами и другими средствами наблюдений за такими изменениями состояния отдельных элементов природной среды, которые, сами по себе не являясь в данный момент экологически опасными, позволяют прогнозировать существенные техногенные нарушения (аварийные ситуации, залповые выбросы и т.п.). Приборы этой подсистемы должны работать в автоматическом режиме круглосуточно.

Вопросы для самоконтроля знаний:

Что такое геологическая среда, каковы её параметры и компоненты?

Какова взаимосвязь между ограниченностью естественных природных ресурсов и ростом технологического потенциала общества?

Перечислите основные проблемы, связанные с проведением геологоразведочных работ.

Каковы значения ПДК основных вредных примесей в воздухе на уровне дыхания?

Перечислите факторы отрицательного воздействия геологоразведочных работ на окружающую среду.

Каково влияние горной промышленности на литосферу, атмосферу и гидросферу?

Чем вызвано образование депрессионных воронок в пределах горных предприятий?

В каком соотношении происходит загрязнение атмосферы газом, пылью и аэрозолями?

В чем состоит отрицательное воздействие породных отвалов на окружающую среду?

Что такое шахтные воды и чем они отличаются от технических вод?

Каковы механизмы загрязнения и заражения окружающей среды?

В чем состоит специфика воздействия химических элементов на живые организмы и растения?

Каковы ближайшие перспективы развития горного дела?

В чем состоит суть горно-экологического мониторинга?

Что входит в систему горно-экологического мониторинга?

Проектные задания:

Составить комплексную схему отрицательного воздействия геологоразведочных работ на окружающую среду.

Описать типовой геохимический цикл миграции рассеянных элементов в природных водных системах, возникающий в результате деятельности горнодобывающего предприятия.

Литература: [5], с. 3 - 14; [1], с. 352 - 363; [3], с. 8 -47.

Мероприятия по снижению отрицательного воздействия горных работ на окружающую среду, рекультивация нарушенных земель и рациональное природопользование.

Выделенный модуль объединяет информацию о различных мероприятиях, направленных на снижение отрицательного воздействия геологоразведочных работ на атмосферу, литосферу, гидросферу и биосферу. В нем представлены конкретные способы снижения прямого или косвенного воздействия горных работ на геологическую среду. Здесь же детально рассмотрена технология рекультивационных мероприятий, обеспечивающих восстановление нарушенных земель, а также указаны пути рационального использования недр и природных ресурсов.

Лекция 6

Тема 10. (2 часа). Комплекс мер по снижению отрицательного воздействия геолого-разведочных работ на литосферу

В горнодобывающей промышленности охрана ландшафта представляет собой комплексную систему мероприятий для предотвращения или уменьшения прямого и косвенного воздействия горного производства на ландшафт, и в первую очередь на земли. Рациональное использование земельных ресурсов предусматривает выполнение системы мероприятий, направленных на оптимизацию размещения производственных объектов, их параметров, плотности застройки, сроков отчуждения и использования земельных участков. Рекультивация земель, нарушенных горным производством, рассматривается как основной способ воспроизводства земельных ресурсов, создания оптимальных культурных антропогенных ландшафтов в конкретных природно-климатических и социально-экономических условиях данного района.

Выделены две группы мероприятий по охране, рациональному использованию и воспроизводству земель при разработке месторождений полезных ископаемых. К первой группе отнесены мероприятия предохранительного характера, предусматривающие максимально возможное, экономически оправданное и технически осуществимое сокращение прямого и косвенного воздействия на земли. Ко второй группе отнесены мероприятия восстановительного характера, направленные на установление последствий негативного воздействия горного производства на земли.

Сокращение прямого и косвенного воздействия достигается: за счет внедрения научно обоснованной системы размещения промышленных предприятий и отдельных объектов; путем разработки и внедрения прогрессивных норм нарушения территорий при промышленном и гражданском строительстве; строгим соблюдением строительных норм и правил, регламентирующих взаимное расположение зданий и сооружений, линий электропередачи, дорог, инженерных коммуникаций; оптимизацией параметров карьерных откосов, что позволяет объективно установить как размеры карьерного поля в плане, так и объемы разрабатываемых вскрышных пород и, следовательно, объемы отвалов; оптимизацией параметров отвалов, хвосто- и шламохранилищ; предотвращением деформаций земной поверхности в зоне горных работ; путем внедрения прогрессивных методов осушения месторождений полезных ископаемых, позволяющих сохранить запасы, состояние и режим грунтовых и подземных вод и обеспечить их рациональное использование; устранением и уменьшением сбросов сточных и рудничных вод в гидрографическую сеть; устранением или уменьшением выбросов в атмосферу отходов переработки; предотвращением ветровой и водной эрозии нарушенных земель; утилизацией вскрышных пород и отходов переработки.

Одним из средств уменьшения прямого воздействия на земли является управление карьерными откосами. Анализ проектных решений и опыта открытой разработки значительного числа месторождений свидетельствует о том, что выбор нерациональных параметров карьерных откосов приводит к большим изменениям затрат на вскрышные работы, отвалообразование и снижает эффективность открытой разработки. При этом следует учитывать, что с увеличением глубины карьера соответственно увеличивается заложение борта, т.е. его проекция на земную поверхность. Чем положе откос, тем больше земли нарушается по контуру карьера. Увеличение объема вскрышных работ в связи с нерациональными параметрами карьерных откосов ведет к увеличению объемов отвалов, а следовательно, к увеличению площади земель, требуемых для их размещения.

В значительной степени задача достижения высоких экономических результатов горного производства, лучшего использования недр и земель может быть решена посредством управления карьерными откосами. По мнению Н.В. Мельникова, в связи с большим масштабом и глубиной карьеров должна по-новому решаться проблема управления откосами бортов. Под управлением откосами бортов можно понимать, во-первых, определение углов откосов с надежным, но не преувеличенным запасом прочности и, во-вторых, создание крупных по масштабу методов и средств искусственного полного и локального укрепления их. Углы наклона бортов карьеров должны быть оптимальными с технико-экономической точки зрения. Критериями оптимальности могут служить минимизация приведенных затрат или максимизация прибыли, подсчитанная с учетом перебора всех возможных в данных условиях вариантов формирования равноустойчивых бортов карьеров с различными углами наклона, профилями борта, способами и средствами искусственного повышения устойчивости ослабленных участков и зон.

Увеличение емкости внешних отвалов и хвостохранилищ также является одним из мероприятий по охране и рациональному использованию земель на горных предприятиях, так как способствует сокращению прямого и косвенного воздействия на земли.

Целесообразность использования этого мероприятия для конкретного горного предприятия определяется спецификой условий разработки месторождения, наличием земельных участков, необходимых для размещения отвалов и хвостохранилищ, условиями оптимизации параметров техногенных ландшафтных комплексов и гармоничного состояния их с природными, направлением последующей рекультивации.

Примером применения этого мероприятия является существенное увеличение высоты хвостохранилища за счет намыва второго яруса на Кингисеппском ПО «Фосфорит», выполненное на основе совместных исследований ЛГИ и ГИГХСа.

Складирование вскрышных пород и отходов производства на непродуктивных или нарушенных землях. Реализация этого мероприятия зачастую осложняется техническими, экономическими, организационными и другими причинами. При производстве горных работ естественно стремление разместить вскрышные породы и отходы переработки в выработанном пространстве месторождений.

На открытых горных работах внутреннее отвалообразование возможно в большинстве случаев разработки горизонтальных и пологих залежей и в отдельных случаях при разработке вытянутых наклонных и крутопадающих залежей.

Для складирования отходов обогащения полезных ископаемых могут использоваться отработанные карьеры, незаполненные или заполненные внутренними отвалами. В обоих случаях требуется выполнение комплекса различных инженерных мероприятий для предотвращения прорыва уложенных хвостов из созданных емкостей, сохранения, очистки вод и организации оборотного водоснабжения обогатительных фабрик, предотвращения загрязнения окружающей среды отходами обогащения, проведения последующей рекультивации хвостохранилищ. Выполнение такого комплекса мероприятий хотя зачастую и требует больших капитальных и эксплуатационных затрат, но дает ряд положительных результатов, а именно:

снижаются размеры площади нарушенных земель;

сокращается объем капитальных вложений на складирование отходов обогащения;

рекультивация земельных участков, где размещены отходы обогащения, производится в ходе горных работ, а не после заполнения хвостохранилища; в связи с этим период отчуждения земель из лесохозяйственного пользования значительно сокращается;

уменьшаются объемы горно-планировочных работ, а следовательно, и затраты на рекультивацию земель, нарушенных горными работами;

устраняется или в значительной степени сокращается ущерб окружающей среде от запыления атмосферы и оседания пыли на окружающие земли в связи с дефляцией хвостохранилища.

Важным средством охраны и рационального использования ландшафта и земельных ресурсов является утилизация вскрышных пород и отходов переработки полезных ископаемых. Естественно, что чем меньше объем вскрышных пород и отходов переработки, тем меньше требуется земель для их размещения, тем меньше объемы работ по их противоэрозионному закреплению.

Для сокращения площадей земель, отчуждаемых под отвалы и хранилища отходов, в ряде случаев целесообразно использовать отходы в качестве закладочного материала при подземной разработке месторождений.

В последнее время много внимания в России и за рубежом уделяется проблеме противоэрозионной защиты земель, нарушенных горными работами. При первых же попытках решения этой проблемы традиционными методами, относящихся к концу 60-х (США, Канада, Австралия, ЮАР, ПНР) -- началу 70-х годов (СССР, ВНР, ЧССР, ФРГ, Ливия), возникли трудности, обусловленные спецификой инженерно-технических и природных факторов, присущих горному производству.

Особые условия эксплуатации горных отвалов (в том числе гидро- и солеотвалов), шламо- и хвостохранилищ, а также транспортных коммуникаций в пределах земельных участков, переданных для пользования горным предприятиям, выдвинули ряд задач по укреплению эродируемых поверхностей, решение которых традиционными методами оказалось недостаточно эффективным, а часто невозможным и потребовало разработки более действенных методов. В связи с этим возникла необходимость проанализировать специфику эрозионных процессов на объектах горного производства, систематизировать задачи, возникающие при осуществлении противоэрозионных мероприятий, и накопленный опыт решения этих задач.

Основные виды отрицательного воздействия продуктов эрозии на природную среду следующие:

Необратимые изменения структуры и состава почв -- снижение водопрочности и механической прочности агрегатов с последующим ухудшением агрофизических свойств почв; разубоживание гумусового и солевого составов почв; изменение их водоудерживающей способности, приводящее в одних случаях к иссушению, в других -- к заболачиванию угодий.

Необратимые изменения состава, структуры и свойств потенциально плодородных пород, уложенных на поверхность нарушенных земель с целью их последующей биологической рекультивации.

Загрязнение почв и почвогрунтов воздушными и водными выносами дисперсных минеральных частиц, что приводит в ряде случаев к порче растительного покрова, засолению и заболачиванию поверхности.

Засоление почв и почвогрунтов и интоксикация растений продуктами химического разрушения пород. Особенно сильно это проявляется в зонах размещения отвалов производства калийных удобрений (солеотвалов).

Запыление воздушного бассейна продуктами ветровой эрозии. Наиболее интенсивными источниками запыления являются инженерные сооружения, в результате эксплуатации которых на их поверхности откладываются или образуются слои тонкоизмельченных пород (хвостохранилища, гидроотвалы, автотранспортные пути в пределах территории горных предприятий и т.п.).

Загрязнение водного бассейна продуктами ветровой и водной эрозии (твердыми примесями и химическими растворами).

7. Ухудшение физико-технических параметров пород, используемых в различных инженерных сооружениях, например, ухудшение несущей способности и фильтрационных характеристик конструктивных элементов гидротехнических сооружений (дамб хвостохранилищ, плотин, бортов водоотводных каналов и дренажных траншей и пр.); изменение свойств грунтовых оснований; разрушение насыпей и др.

Степень проявления перечисленных негативных воздействий и величина наносимого ими ущерба целиком зависят от способности пород противостоять эрозии.

Основными объектами эрозии на горных предприятиях, наносящими наибольший ущерб окружающей природной среде, являются:

хвостохранилища и им подобные гидротехнические сооружения (гидроотвалы, шламохранилища и др.);

отвалы песчано-глинистых пород;

различные транспортные поверхности (эксплуатируемые бермы отвалов, дамб хвостохранилищ, подъездные и внутрикарьерные дороги и пр.), по которым осуществляется регулярное передвижение тяжелого оборудования и автотранспорта.

Задачи по противоэрозионному укреплению поверхностей хвостохранилищ следует рассматривать как типовые, поскольку хвостохранилища содержат все элементы поверхностей, встречающиеся на других объектах. Кроме того, хвостохранилища отличаются наиболее сложной спецификой инженерно-технических условий эксплуатации, а для возникновения интенсивных эрозионных процессов обладают наиболее благоприятными условиями.

П.Г. Беленький выделяет четыре задачи, специфика которых определена размерами, конфигурацией и эксплуатационными функциями элементов хвостохранилища:

Укрепление пологих поверхностей пляжей хвостохранилищ.

Укрепление поверхности внутреннего откоса ярусной ограждающей дамбы.

Укрепление наружных откосов ярусных дамб обвалования.

Укрепление поверхности берм дамб обвалования.

Практический опыт применения различных методов укрепления подверженных эрозии поверхностей позволяет оценить степень их пригодности для решения рассмотренного комплекса задач и определить направления дальнейшего их совершенствования.

Механический метод защиты поверхности от эрозии основан на возведении механической преграды на пути разрушающего агента (воздушного или водного потока). В отличие от биологического и химического методов противоэрозионной защиты породы, слагающие защищаемую поверхность, непосредственно не участвуют в процессе повышения устойчивости поверхности к эрозии.

Для преграждения пути водным потокам применяют специальные способы вспашки склонов с образованием продольных борозд на поверхности откоса, возводят земляные валы или водоотводные нагорные траншеи и т.п.

Однако такие способы не защищают поверхность склонов от прямого воздействия дождя и ветра. Большей надежностью характеризуются способы непосредственного покрытия эродируемой поверхности хвостохранилищ твердыми конструктивными элементами типа сплошных или решетчатых щитов (с последующей посадкой растений в ячейках решеток), сборных железобетонных элементов, соломенных, тростниковых или камышовых матов и плит (последние предварительно обрабатываются вяжущими составами), насыпных слоев щебня, шлака, древесной коры и т.п. В последнее время для укрепления поверхности откосов высоких земляных сооружений типа насыпных плотин, отвалов песчано-глинистых пород применяют покрытия из синтетических полотен. Однако в этом случае затруднена последующая биологическая рекультивация.

Способы механической защиты поверхности от эрозии отличаются значительной трудоемкостью, низкой производительностью и для решения рассмотренных выше задач используются лишь в отдельных случаях, главным образом, как вспомогательные в сочетании с биологическим закреплением поверхности.

Биологический метод защиты поверхности от эрозии предусматривает посадку (посев) культурных или дикорастущих растений на поверхностном слое укрепляемых пород или внесение в этот слой культур микроорганизмов.

Защита пород от разрушения достигается благодаря двум эффектам: глубинному (объемному) связыванию минеральных частиц в пределах укрепляемого слоя и экранированию поверхности от внешних воздействий. В первом случае эффект укрепления создается в результате склеивающего действия продуктов жизнедеятельности микроорганизмов (бактерий, низших растений) или вследствие армирующего действия корневой системы растений. Во втором случае наземная часть биомассы, покрывающая защищаемую поверхность, предотвращает непосредственное воздействие на эту поверхность воздушных и водных потоков или предельно снижает их скорость вблизи поверхности. Кроме того, ослабляется проявление температурного контраста, связанное с суточными колебаниями температуры окружающей среды.

И, наконец, даже при неравномерном зарастании поверхности такие участки служат просто механическим препятствием для частиц грунта, перемещаемых с незаросших участков, и тем самым предотвращают вынос продуктов эрозии в окружающую среду.

В практике противоэрозионной защиты нарушенных горными работами земель наибольшее распространение получил способ залужения поверхности, в особенности поверхности откосов, которые не предназначены для лесо- или сельскохозяйственного использования. Здесь эффективно могут быть использованы торфодериовые ковры.

Выращенные вне отвалов (на верховых торфяниках) ковры транспортируют с помощью простейших средств (волоком на металлических листах) к отвалу и вручную укладывают на откосе.

В результате анализа рассмотренных выше способов биологического закрепления эродируемых поверхностей можно заключить, что с экологической точки зрения биологический метод противоэрозионной защиты является наиболее прогрессивным и перспективным. Однако такое укрепление поверхности остается пока весьма трудоемким, дорогостоящим и «чувствительным» к природно-климатическим условиям. Кроме того, учитывая значительную стоимость работ, с помощью биологического метода целесообразно укреплять только отстроенные (погашаемые) поверхности. Поэтому биологическое укрепление (биологическую рекультивацию) поверхности эксплуатируемых отвалов и хвостохранилищ, можно рекомендовать лишь для наружных откосов нижних ярусов. Широкое промышленное внедрение биологического метода закрепления крутонаклонных откосов в практике горного производства сдерживается отсутствием средств механизации.

Современные прогрессивные тенденции в развитии биологического метода противоэрозионной защиты заключаются в следующем.

1. Совершенствование способов создания почвенного слоя из самого укрепляемого материала. Создание почвенных структур из этого материала с помощью химических веществ. При этом в качестве последних предпочтение отдастся высокополимерным соединениям, в частности, поликомплексным композициям, внесение которых в мелиоративный слой позволяет быстро создать высокоструктурную почву с высокой гидроаккумуляционной способностью и стабильными агрохимическими характеристиками.

Выбор оптимального ассортимента трав для конкретных природно-климатических условий, агрохимических и агрофизических свойств закрепляемых пород. В последнее время предпочтение отдается диким почвопокровным растениям (разрастающимся по поверхности, а не в высоту), не требующим особо благоприятной среды. Намечена тенденция к использованию почвенных водорослей для повышения противоэрозионной стойкости почвогрунтов и формирования почвенного слоя в песках.

Разработка рациональных способов гидропосева трав для закрепления горизонтальных и пологих поверхностей.

Формирование вне укрепляемой поверхности гибких или жестких конструктивных элементов (плит, матов, крупных гранул) из питательных грунтотравяных смесей с последующей механизированной укладкой этих элементов на крутонаклонные поверхности.

Физико-химический метод противоэрозионного укрепления поверхности основан на управлении свойствами и структурой грунта в укрепляемом слое путем введения в него различных вяжущих веществ. По типу применяемых вяжущих (структурообразователей) различают способы: цементации, битумизации, силикатизации, укрепления грунтов синтетическими смолами, сложными высокополимерными композициями и др.

В процессе укрепления грунтов участвуют две физико-химические системы: грунт и структурообразователь (вяжущее). Процесс протекает на границе контакта этих двух систем.

Для предотвращения эрозии на горных предприятиях могут использоваться различные типы структурообразователей: неорганические вяжущие, битумы, синтетические смолы, лигнины, латексы, полиэлектролитные композиции (поликомплексы), реже цементы.

К способам закрепления грунтов неорганическими растворами можно отнести силикатизацию, укрепление грунтов фосфатными вяжущими, кремнефторводородной кислотой и ее солями, растворами солей железа и алюминия и др.

Среди этих способов наибольшее распространение получили процессы силикатизации (одно- и двухрастворной), основанные на совместном применении растворов жидкого стекла -- силикатов щелочных металлов (натрия, калия) и различных гелеобразующих добавок, а также на применении суспензий портландцемента в растворах силиката натрия.

Во всех этих случаях закрепление и снижение проницаемости дисперсных грунтов достигается в результате образования твердеющих гелей, в которых твердая фаза преимущественно представлена кремнекислотой, гидросиликатами, гидроалюмосиликатами или полимерсиликатами -- в зависимости от состава используемых растворов или суспензий.

Отечественная химическая промышленность выпускает достаточно большой ассортимент различных смол, полимеров и других химических веществ, позволяющих использовать их в качестве компонентов вяжущего для различных грунтов.

При выборе состава структурообразователей на основе синтетических смол необходимо учитывать следующие требования: недефицитность, выпуск промышленностью в достаточно большом объеме; безопасность и нетоксичность; быстрота отверждения; хорошая растворимость в воде в широком диапазоне температур, малая вязкость раствора; обеспечение необходимой прочности и долговечности покрытия; водопроницаемость структурированных грунтов.

Прочностные, гидрофобные и гидрофильные свойства структурированного грунта зависят от физико-химических свойств структурообразователя и частиц структурируемого материала.

Смолизация широко применяется в практике закрепления грунтов. Отечественной промышленностью выпускаются различные модификации мочевиноформальдегидной смолы (МФС): МФ, МФ-17, крепители М, М-2, М-3, М-60, карбамидная смола, модифицированная поливиниловым спиртом, крепитель К и модифицированная фуриловым спиртом мочевиноформальдегидная смола (МФС-0,1), а также хорошо растворимая модификация карбамидной смолы (КС-М 0,3-СВЛ).

Карбамидные смолы представляют собой продукты поликонденсации формальдегида и мочевины или ее производные. Карбамидные смолы хорошо растворимы в воде, вязкость растворов в зависимости от концентрации колеблется от 0,003 до 0,005 Па-с, обладают хорошей проникающей способностью.

Получаемые покрытия на основе МФС обладают пределом прочности на растяжение 0,5--1,5 МПа.

Защита грунтов от ветровой и водной эрозии с помощью латексов заключается в нанесении на поверхность грунтов каучуковой пленки, склеивающей грунтовые частицы и тем самым предотвращающей выдувание их сильными ветрами. Латексы применяются для закрепления грунтов в очагах дефляции, защиты посевов от засыпания переносимым мелкоземом на вновь осваиваемых площадях, от выдувания песчаных почв на виноградниках. Преимущество латексов заключается в том, что они являются однорастворным быстротвердеющим структурообразователем, требующим для получения покрытия малых расходов вяжущего; образующиеся покрытия -- высокоэластичные. Однако прочность закрепленного грунта невысокая. Как отмечает А.И. Игнатенко, наибольшее распространение получили синтетические латексы СКС-ЗОПХ и СКС-65ГП с содержанием стирола соответственно 27 и 65 %, а также АРМ-15. Для укрепительных работ используются водные растворы латексов 1--5 %-ной концентрации. При этом их расход в зависимости от назначения покрытия и условий его применения может составлять от 0,2 до 1 т/га.

В настоящее время для укрепления сыпучих материалов все чаще находят применение в качестве структурообразователей сложные композиции высокополимерных соединений. Композиции состоят из полиэлектролитов -- высокомолекулярных веществ, молекулы которых содержат анион- и катионактивные группы. Вещества, содержащие противоположно заряженные группировки, взаимодействуют между собой, образуя так называемые поликомплексы. Для их получения достаточно смешать водные растворы двух полиэлектролитов анионного и катионного типов. Реакция образования поликомплекса протекает практически мгновенно.

Физико-химические и механические свойства поликомплекса резко отличаются от свойств исходных полимерных компонентов. Благодаря высокой прочности они могут найти применение для защиты почв от ветровой и водной эрозий.

Анализ физико-химического метода противоэрозионной защиты, а также опытных и патентных данных по разрабатываемым в этой области решениям позволяет определить следующие тенденции в совершенствовании метода:

разработка рациональных способов инъецирования в грунт укрепляющего агента в сочетании с рыхлением и уплотнением укрепляемой поверхности;

выбор или разработка укрепляющих составов, предназначенных для каждого конкретного сочетания инженерно-геологических, инженерно-технических, природно-климатических условий и конъюнктурных ситуаций;

механизация основных и вспомогательных процессов во всех звеньях технологической цепи, а именно: подача реагентов от склада растворному узлу, процесс приготовления растворов (совершенствование приемов дозирований, перемешивания и т. п.), оперативная подача растворов к укрепляющим агрегатам и внесение растворов в укрепляемую поверхность.

Таким образом, многообразие природных и технических факторов привело к созданию множества различных способов противоэрозионной защиты, которые по принципу их осуществления относятся к одному из трех вышеуказанных методов.

Механический метод имеет ограниченное применение и используется в основном как вспомогательный в сочетании с остальными.

Биологический метод в наибольшей степени соответствует современным экологическим требованиям, поскольку одновременно с противоэрозионной защитой поверхности способствует восстановлению гармонии техногенных и природных ландшафтных комплексов, улучшению состояния окружающей среды и экологических условий.

Однако этот метод наиболее трудоемкий и дорогостоящий, он не обеспечен достаточно эффективным комплексом средств механизации работ при укреплении крутонаклонных поверхностей и может применяться только для закрепления погашаемых, выводимых из эксплуатации поверхностей инженерных сооружений. Кроме того, в зонах сильно развитой эрозии этот метод используется только в сочетании с другими, преимущественно физико-химическим методом для первичного закрепления поверхности.

Физико-химический метод противоэрозионной защиты в сравнении с приведенными выше является наименее трудоемким и наиболее дешевым. Метод универсален по отношению к свойствам укрепляемой поверхности и факторам внешнего разрушающего воздействия и может быть рекомендован для преимущественного использования в специфических условиях эксплуатации горных предприятий. Для повышения его эффективности необходима разработка рациональных составов вяжущих и способов их внесения в укрепляемую породу, учитывающих специфику условий осуществления метода на объектах горного производства, а также соответствующих средств механизации, обеспечивающих его технологичность и широкое промышленное внедрение.

Лекция 7

Тема 11 (1 час). Комплекс мер по снижению отрицательного воздействия геолого-разведочных работ на атмосферу

Наиболее эффективен с экологических и социально-экономических позиций комплекс профилактических мероприятий, направленных на предупреждение загрязнения атмосферного воздуха пылегазовыми выбросами горного производства. Мероприятия по устранению последствий загрязнения воздушного бассейна менее эффективны, более трудоемки и дорогостоящи, а зачастую вообще невыполнимы в силу масштабов воздействия, многочисленности и многообразия объектов, претерпевающих это воздействие, различной степени устойчивости их к поражению. Так, очевидно, что более целесообразно и эффективно предотвращать выбросы в атмосферу отходов производства, например, на предприятиях цветной металлургии, влияющих на понижение урожайности и качества сельскохозяйственных культур, произрастающих на прилегающих к предприятиям землях, чем проводить мелиорацию земель, нейтрализацию вредных веществ, накапливающихся в почвах, подбирать и выращивать другие, более устойчивые к воздействию, но менее необходимые для народного хозяйства культуры.

Мероприятия по охране воздушного бассейна могут быть разделены на две группы:

? общего характера, способствующие улучшению состояния воздушного бассейна в районе горного предприятия;

? специальные, непосредственно направленные на предотвращение загрязнения атмосферного воздуха.

В первую группу включены:

1) территориально-планировочные мероприятия, предусматривающие размещение объектов горного производства - источников пылегазовыделений с учетом природно-климатических условий местности, прежде всего розы ветров, а также планомерность нарушения и восстановления земель;

2) мероприятия по уменьшению площадей эродируемых техногенных поверхностей посредством оптимизации параметров техногенных образований: открытых горных выработок, отвалов различного рода, в том числе терриконов, хвостохранилищ, складов минерального сырья и пр.;

3) рекультивация нарушенных земель для использования их в народном хозяйстве, обеспечивающая предотвращение ветровой эрозии;

4) утилизация отходов горного производства, комплексное использование минеральных ресурсов, способствующие уменьшению как площадей эродируемых поверхностей, так и объемов пылегазовыделений.

Ко второй группе отнесены:

мероприятия по улавливанию, отводу и очистке пылегазовых выделений и выбросов;

мероприятия по улучшению качества воздуха непосредственно в зоне горных работ путем предотвращения или снижения пылегазовыделений различными объектами в технологической цепи производства;

мероприятий межотраслевого характера, например, по улучшению газового баланса отработанных горюче-взрывчатых веществ и т.д.

Причем для тех или иных объектов или источников загрязнения атмосферы могут применяться как отдельные средства и способы, так и их комбинации.

Для снижения запыленности рудничного воздуха, выходящего из подземных горных выработок, применяют две группы мероприятий. Первая группа заключается в установке специальных очистных устройств в местах, где рудничный воздух выбрасывается в атмосферу. Мероприятия второй группы предусматривают улучшение качества рудничного воздуха в шахте (руднике) посредством подавления, связывания и удаления пыли при выполнении технологических процессов. Среди мероприятий второй группы чаще всего применяют орошение, пылеподавление пеной, пылеулавливание, осаждение пыли на поверхности выработок, предварительное увлажнение массива горных пород.

На подземных горных работах накоплен определенный опыт использования устройств для отсоса пыли при бурении шпуров и скважин. Известны технические решения, позволяющие интенсифицировать осаждение пыли на поверхности горных выработок. На шахтах для цели применяют специальные пласты, которые наносят на крепь горных выработок. В состав пласта входят водный раствор хлористого магния (натрия) и гидроксид магния.

Анализ известных способов и путей снижения вредного воздействия массовых взрывов на окружающую среду показывает, что все известные технические решения можно условно отнести к пассивным способам защиты окружающей среды при взрывах в карьерах и разделить на следующие три группы:

? способы предупреждения образования пылегазового облака (ПГО),

? способы подавления ПГО,

? способы утилизации ПГО.

К первой группе относятся: применение малогазовых типов ВВ и управление действием взрыва, повышение прочности забойки скважин, снижение массы заряда ВВ в скважине, снижение величины перебура в скважине, уменьшение диаметра скважины и пр.

Во вторую группу входят: гидрозабойка и гидрогелевая забойка скважин, гидроорошение и покрытие взрываемого блока пеной, гидроминное взрывание, подавление ПГО водо-воздушными струями карьерных вентиляторов и др.

К способам утилизации (третья группа) следует отнести гидрообеспылевание, пылеулавливание и дегазацию взорванных блоков в карьере.

На Рыбальском карьере по добыче нерудных полезных ископаемых (Украина) специалистами Государственной горной академии Украины апробирован новый способ защиты атмосферного воздуха от загрязнения пылегазовыми выбросами при проведении массовых взрывов, относящихся к третьей группе. Сущность способа заключается в использовании одновременно нескольких технических устройств для залпового выброса высоконапорного жидкого агента (воды, гидрогеля, ПАВ и пр.) в эпицентр пылегазового облака в момент его зарождения и формирования над взорванным блоком в карьере. Выброс агента из специальных устройств направляют навстречу дуг другу, соударяют и диспергируют в эпицентре зарождающегося ПГО, что обеспечивает эффективное охлаждение эпицентра облака и активную нейтрализацию пылегазового выброса. Залповый выброс жидких агентов над взрываемым блоком производят дистанционно с некоторым упреждением относительно начала массового взрыва, что обеспечивает соударение и диспергирование струй в центре и по периферии ПГО в момент массового взрыва Устройства располагают вокруг взрываемого блока напротив друг друга на одинакового расстоянии от центра взрываемого блока. Количество устройств выбирают в зависимости от размеров взрываемого блока.

Для охраны воздушного бассейна от вредных газовых примесей в зависимости от источника загрязнения применяют следующие мероприятия.

Для очистки от вредных газообразных примесей воздуха, выбрасываемого в атмосферу из подземных горных выработок, устанавливают специальные очистные устройства. Для снижения газовых выделений при проведении технологических операций осуществляют изоляцию выработанного пространства, дизельную технику заменяют машинами и оборудованием с электроприводом.

Перспективной является утилизация метана, выносимого из шахт вентиляционными потоками. В настоящее время складывается два направления, одно из которых предусматривает отделение газа от общего воздушного потока с доведением газа до необходимой концентрации и последующим сжиганием в топках котельных, а второе - максимальный отбор газа (метана) из угольных пластов и пород с помощью их предварительной дегазации и использование дегазационной смеси в топках котельных при максимальном обеспыливании в местах ее образования.

Проводятся мероприятия по предупреждению пожаров на карьерах и разрезах, возгорания пород в отвалах и терриконах, приводящих к выделению в атмосферу значительных объемов газообразных продуктов.

К средствам противопожарной профилактики можно отнести:

? предварительное увлажнение пластов посредством принудительного нагревания в них воды или специальных антипирогенных растворов;

? полное извлечение из недр полезных ископаемых и горных пород, склонных к самовозгоранию;

? отработку вскрытых полезных ископаемых со скоростью, предупреждающей опасность аккумуляции тепла в нарушенном массиве;

? взрывание скважин, пробуренных в породах, склонных к быстрому самовозгоранию, до момента развития в них интенсивного пирогенного процесса;

? применение пожаробезопасных систем разработки.

На некоторых предприятиях для охраны атмосферы от вредного влияния горящих породных отвалов проводят профилактические работы по предупреждению самовозгорания вновь формируемых отвалов и осуществляют активное тушение горящих отвалов. Отсыпаемым отвалам придают плоскую форму. Каждый слой проиливают и чередуют со слоем глины толщиной 0,3 м, затем отвальную массу планируют бульдозерами, уплотняют катками и переслаивают по контуру полосами из негорючих материалов шириной 3 м и толщиной 0,25-0,3 м. При формировании такого отвала среднюю зольность отвальной массы доводят до 70-80%, а породу, поступающую в отвал дробят до крупности не более 50 мм.

Тушение горячих отвалов и терриконов осуществляют посредством их заиливания глинистой пульпой консистенции Т : Ж = 1 : 10, нагнетаемой через специально установленные инъекторы.

Очистка газов взвешенных твердых частиц (пылеулавливание) имеет различное назначение: технологическое - улавливание готовой порошкообразной продукции или подготовка газа к переработке; экономическое - сокращение безвозвратных потерь ценных продуктов; природоохранное - предупреждение загрязнения атмосферы пылевыми выбросами.

Наиболее простой, надежный и экономически эффективный способ пылеулавливания - циклонный, основным достоинством которого является устойчивость работы циклона при высокой концентрации пыли.

Сущность циклонного способа пылеулавливания заключается в том, что запыленный газ вводят в направляющее (закручивающее) устройство, в котором он приобретает вращательное или вихревое движение и перемещается в потоке, под действием центробежной силы движутся к стенке корпуса циклона, спускаются по ней вниз и выводятся из аппарата через разгрузочное устройство (шлюз), не пропускающее газ. Движение очищенного потока преобразуется внутри циклона во внутренний восходящий вихрь, который выводится через выхлопной патрубок.

В настоящее время известно большое число конструкций циклонов, которые используют в горно-добывающей промышленности.

Во многих отраслях применяют очистку газов с использованием электрических и газовых фильтров, а также промывку газов орошающими жидкостями.

Основные направления совершенствования пылегазоочистки на перерабатывающих предприятиях заключается:

? в применении замкнутых технологических циклов (без выброса пыли и газов атмосферу);

? в совершенствовании технологии пылеобразующих процессов;

? в совершенствовании методов и аппаратуры для очистки газов от пыли и вредных газообразных компонентов (циклонов, электро- и тканевых фильтров, скрубберов ит.д.);

? в замене котлов устаревших конструкций на более совершенные в производительных и коммунально-бытовых котельных.

Тема 12. (1 час). Комплекс мер по снижению отрицательного воздействия геолого-разведочных работ на гидросферу

Под охраной водного бассейна (природных вод) понимается соблюдение установленного порядка пользования, т.е. обеспечение рационального управляемого использования, сохранения и восполнения их ресурсов при восстановлении или улучшении их качества в интересах существующих и будущих поколений.

Охрана природных вод осуществляется посредством выполнения комплекса организационных, экономических и инженерно-технических, в том числе технологических, гидротехнических, лесомелиоративных, агротехнических и других мероприятий под постоянным контролем (гидрогеологическим, гидрологическим, санитарным) состояния и качества вод.

В основу разработки и реализации мероприятий по охране природных вод закладываются три методологических принципа: 1) сохранение ресурсов и предотвращение нарушения состояния и качества вод; 2) при необходимости нарушения - рациональное использование; 3) в процессе и после использования - восстановление качества и состояния, восполнение запасов.

...