Инженерно-геологическое обоснование метода оценки нарушенности горным производством земель для восстановления экологического равновесия

Актуальность работы.

Постоянно растущие потребности в минерально-сырьевых ресурсах вызывают необходимость интенсивного развития горной промышленности, что влечет за собой отторжение значительных территорий для разработки полезных ископаемых. Причинами деградации окружающей природной среды являются как сама добыча полезных ископаемых, так и застройка, размещение отходов производства и потребления. На 2009 год общая площадь нарушенных земель на земном шаре составила порядка 20 млн. км [1].

В России, где горнодобывающая промышленность формирует до 53% доходной части федерального бюджета, площади, утраченные вследствие горных, геологоразведочных работ, прокладки газои нефтепроводов, превышают 1,3 млн. гектаров (80% из них горные разработки). С учетом зон негативного влияния этих производств цифра возрастает, а эти территории образуют природно-техногенные системы с нарушенным экологическим равновесием.

Разработка месторождений открытым способом вызывает наиболее существенные изменения структуры природных ландшафтов и других компонентов окружающей природной среды в результате прямого или косвенного влияния деятельности горнодобывающих предприятий. Прямое влияние на качество окружающей природной среды проявляется при: изъятии значительных территорий сельскохозяйственных и лесных земельзагрязнении территории отходами горно-обогатительпых производств-. нарушении гидрологического режима местности и, как следствие, уменьшение биологической продуктивности земель. Кроме этого, один гектар нарушенной горными разработками территории ориентировочно оказывает вредное влияние на гектар прилегающей территории. Это объясняется наличием земель, занятых отвалами пустой породы, хвостохранилищами, промышленными площадками, транспортными.

3 ~ коммуникациями и др. Подсчитано, что в карьере площадью до 8 га и глубиной менее 10 м на 1 т добываемого сырья приходится до 1,5 т вскрышных пород, при увеличении глубины разработки, растет и коэффициент вскрыши [2].

В среднем при добыче 1 млн. т угля нарушается до 50 га земли, железной руды и марганцевой руды — до 600 га, известняка — до 120 га, фосфоритов — до 80 га. Самая высокая землеемкость добычи угля на разрезах Кузбасса, она достигает при добыче 21,2 га на 1 млн. т и при отвалообразовании — 23,5 га [3,4].

Можно утверждать, что развитие минерально-сырьевой базы связано с ухудшением состояния окружающей средывоздействие на окружающую среду современных карьеров и техногенных массивов приобретает региональный характер. Необходимо отметить, что в регионах разработки образуются сложные горнопромышленные природно-техногенные системы (ГГТТС) и при разработке мероприятии по восстановлению экологического равновесия в указанных системах практически не проводится комплексная оценка нарушенной территории с учетом стадий развития горного предприятия.

Это незамедлительно сказалось на состоянии окружающей среды, так как вывоз (экспорт) из страны стратегических видов минерального сырья не сопровождается эффективным использованием валютных поступлений на мероприятия по снижению негативного воздействия на окружающую природную среду и восстановления в ней экологического равновесия [5].

Так добыча калийных солей низкоэффективная ввиду больших потерь сырья при разработке руд шахтным способом, кроме того воздействие данных предприятий на экологическую обстановку оценивается как серьезное. Результатом такого воздействия является деформация и заболачивание земной поверхности, засоление почв и водущерб окружающей среде наносят и крупные шламохрашшища и солеогвалы [6].

По нашему мнению, главным фактором нарушения устойчивости геологической среды и преобразования биосферы в пределах административных 4 территорий являются техногенные процессы, возникающие при эксплуатации различных объектов горнодобывающих производств.

Основными экологическими проблемами регионов по-прежнему являются: загрязнение атмосферного воздуха в результате выбросов загрязняющих веществ от предприятий и автотранспортазагрязнение водных объектоввозрастающее количество отходов производства и потреблениязагрязнение почв, опустынивание и деградация растительного покрова, сокращение видового состава флоры и фауны, возникновение горно-геологических явлений (рис.1).

Рнс.1. Распределение по федеральным округам выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух н сброса загрязненных сточных вод в поверхностные водные объекты (2007г.).

Установлена связь между состоянием здоровья населения и состоянием окружающей среды. По оценкам социально-гигиенического мониторинга территорий России большая часть населения субъектов Российской Федерации страдает заболеваниями органов дыхания, органов пищеварения и мочеполовой системы.

Нарушение экологического равновесия горнодобывающей промышленностью, объектами металлургии и гидроэнергетики в Красноярском крае позволяет отнести этот регион к неблагополучным. Здесь наблюдается прирост общей смертности (дополнительно) по данным 2007 г., от 6,4% в Канске до 22,7% в Ачинске, которая обусловлена высокой запыленностью городов [7].

Похенциальную угрозу здоровью и жизни населения представляют свыше 22,5 тысяч потенциально опасных объектов, функционирующих в отраслях энергетического и промышленного комплексов сграны. Общее количество потенциально опасных объек гов в топливно-энергетическом комплексе превышает 16,9 тысяч. Степень износа основных производственных фондов в различных отраслях промышленности составляет от 50 до 80%, а степень износа систем защиты — от 20 до 70%, что и доказывают аварии на Сая-по-Шушенскои ГЭС, многочисленные катастрофы и аварии на шахтах, транспорте и т. д.

Высокие показа I ели загрязнения атмосферы в первую очередь связаны с деградацией земель, вовлекаемых в хозяйственное использование, в частности при разработке месторождений полезных ископаемых. Наиболее масштабные негатвные воздействия на окружающую природную среду возникают при открытом способе добыче полезных ископаемых, так как наряду с локальным нарушением земной поверхности, происходит деформирование и загрязнение прилегающей территории, изменение ландшафта, гидрографической сети, ухудшение гидрологического режима водоемов, загрязнение атмосферного воздуха. Необходимо отметить, что эти негативные воздействия наиболее длительны во времени, следовательно, восстановление природной составляющей также увеличивается на десятки лет и столетия. Анализ данных о масштабах нарушенных земель, в том числе уничтожение почв, свидетельствует об их нарастающих площадях.

Площадь земельного фонда Российской Федерации на 1 января 2010 г. составила 1709,8 млн. га, распределение которых по категориям представлены на рис. 2 [8]:

Земли лесного фонда- 64.8° о (1108.5 мпн га).

Земли особо охраняемых терршорнПи объектов — 2,0° о (34.8 мчн га).

Земли промышленности иного специального назначен! га -1.0° о (1б.7мчн га).

Земли сельскохозяйственного назначен и -23.4°о (400.0 мчн га).

Земли водного фовда-1.6° о га) пунктов-1.2° о (19.6 мчн га).

Земли запаса — 6.0° о (10,3 мчи га).

Рис. 2. Структура земельного фонда Российской Федерации по категориям земель На сегодняшний день практически во всех субъектах Российской Федерации продолжается тенденция ухудшения состояния земель: интенсивно развиваются эрозия, дефляция, заболачивание, засоление, опустынивание, подтопление, зарастание сельскохозяйственных угодий кустарником и мелколесьем и другие процессы, ведущие к потере плодородия сельскохозяйственных угодий и выводу их из хозяйственного оборота (рис.3).

25% 20% 15% 10% 5% 0%.

Рис. 3. Структура деградации земель.

Наиболее опасны в эрозионном отношении территории Приволжского (50,0%), Южного (24,3%) и Центрального (12,4%) федеральных округов.

В дефляционном опасном состоянии находятся районы — Сибирского (45,1%) и Южного (40,2%) федеральных округов. Процессы заболачивания в наибольшей степени развиты на территории Центрального (31,7%) и Сибирского (22,8%) федеральных округов, засоления — Южного (52,7%) и Сибирского (33,1%) федеральных округов [8].

Указанные территории относятся к основным районам, где ведется добыча полезных ископаемых, несмотря на то, что горные работы и освоение новых ¿-месторождений осложняются их географическим положением, отсутствием развитой инфраструктуры и сложностью извлечения полезных ископаемых.

Многие горнодобывающие предприятия являются градообразующими и оказывают влияние на почву города. По результатам обследований почвы на содержание тяжелых металлов выявлено, что 78% отнесены к допустимой категории загрязнения, к умеренно опасной категории отнесено 14% населенных пунктов, а к опасной — 8%. Основные загрязняющие вещества — медь, кадмий, цинк, свинец, никель. Загрязнение почв фтором. наблюдается в городах, где расположены алюминиевые производства, в частности, в Шелихове, Краснотурьинске, Ревде, Каменск-Уральском.

В течение 2007 г. было снято плодородного слоя почвы 18 616,9 тыс. м3 на площади 7 тыс. га. В целях рекультивации было использовано 10 356,9 о тыс. м, из них предприятиями нефтедобывающей промышленности — 4041.

3 1 тыс. м. Улучшено малопродукшвных угодий снятым плодородным слоем почвы на площади 84 га. Качество проводимых мероприятий по рекультивации земель (по отчетам инспекторов Роснедвижимости) удовлетворительное [7].

В Российской Федерации в течение 2007 года всеми предприятиями была проведена рекультивация земель на площади 29,5 тыс. га (на 0,9 тыс. га меньше, чем в прошлые годы): основное направление лесои водохозяйственное (рис.4). Для сравнения в 90-е годы прошлого столетия ежегодно рекультивировалось до 80 тыс. га нарушенных земель.

16,1 С о.

2,2.

Лесные насаждения? Водоемын др>тне цели ¦ Сельскохозяйственныеугодья? Пашни.

Рис. 4. Структура использования отработанных земель, тыс. га Наибольший удельный вес по площадям рекультивированных земель приходится на предприятия нефтедобывающей промышленности (10,6 тыс. га), цветной металлургии (6,4 тыс. га), газовой промышленности (3,4 тыс. га).

Рекультивация нарушенных земель в большинстве субъектов Российской Федерации производится на землях, нарушенных в последние годы. Восстановление земель, нарушенных ранее, проблематично по причине отсутствия лиц, имеющих обязательства по рекультивации этих земель. Большие площади нарушенных земель остаются в сельском хозяйстве (115,9 тыс. га), основная их часть — торфоразработки (64,8 тыс. га).

Анализ ситуации субъектов Российской Федерации показал, что в последние годы работы по изучению состояния и использования земель практически не проводятся, что снижает эффективность управления земельными ресурсами, с целью их рационального использования и восстановления экологического равновесия на нарушенных территориях.

7].

В соответствии с вышеизложенным можно сделать вывод, что традиционные способы рекультивации не имеют достаточного инженерно-геоэкологического обоснования. И также не позволяют обеспечить нужные темпы восстановления нарушенных земель с целью поддержания экологического равновесия (рис. 5).

160 140 120 100 площадь, тыс. га 80 60 40 20 0 1980? 1990 ¦ 1995? 2000 ¦ 2001? 2002 ¦ 2003? 2004 ¦ 2005 ¦ 2006? 2007.

Рис. 5. Нарушено и рекультивировано земель, тыс. га1 Снижение негативных последствий открытых разработок возможно только при увеличении темпов и разработки новых направлений рекультивации нарушенных земель. В настоящее время имеются различные технологические схемы снятия плодородного слоя почвы, формирования отвалов с учетом рекультивации, селективной выемки вскрышных пород по их пригодности для восстановления земель. Многие из них разработаны в Ml 1 У и апробированы на горнодобывающих предприятиях регионов России [9- 11].

До настоящего времени при выборе направления рекультивации превалировал хозяйственный подход, где вид рекультивационных работ опреде.

1 Отработанные земли — земли, надобность в которых у предприятия отпала в связи с завершением разработки (полностью или частично) месторождений полезных ископаемых, формирования отвалов, а также с окончанием строительных, геологоразведочных и иных работ, связанных с нарушением почвенного покрова.

10 нарушено рекультивировано отработано лялся исходя из экономических возможностей или по видам землепользования до нарушения земель горными работами. Как правило, земли возвращались в сельскохозяйственный оборот или застраивались промышленными сооружениями, однако это требует больших затрат и не всегда целесообразно, особенно когда речь идет о территориях вблизи крупных городов или курортных зон [12].

Глобальный характер воздействия человека на окружающую среду определил становление новой междисциплинарной науки о Земле — геоэкологии, в которой рассматривается комплексный характер геоэкологическх проI блем и интегрируется геология, горные науки, география и т. д. в единую систему знаний. У истоков становления и развития новой науки стояли В. И. Вернадский, А. Е. Ферсман, Н. В. Мельников, В. В. Ржевский, Е. М. Сергеев, В. И. Осипов, В. А. Мироиенко, Г. А. Голодковская, В. Т. Трофимов и другие [13- 18].

Решение большинства перечисленных проблем невозможно без инже-нерно-геоэкологичского обоснования с элементами гидрогеологического и геомеханического обеспечения. Разработка природоохранных технологий восстановления экологического равновесия должна базироваться на комплексном изучении и схематизации возможных природно-техногенных систем. Эффективность решения по охране водно-земельных ресурсов, полноте извлечения полезных ископаемых, сокращению затрат, восстановлению и последующему использованию нарушенных территорий невозможно без наличия достоверной и всеобъемлющей инженерно-геологической, гидрологической и геомеханической информации. С этой точки зрения, инженерно-теологические исследования необходимо рассматривать в контексте геоэкологической оценки литосферы при решении следующих задач геоэкологии:

• анализ изменения геосфер под влиянием природных и техногенных факторов;

• рациональное использование ресурсов Земли;

• снижения ущерба окружающей среде от деятельности человека и природных катастроф;

• обеспечение безопасного проживания людей в промышленных регионах и районах, подверженных возникновению катастроф различного уровня.

Исходя из вышеизложенного можно отмети гь. что экологическую опасность представляют следующие экзогенные геологические процессы, которые нарушают экологическое равновесие в горнодобывающих регионах: депрессионное уплотнение пород, слагающих массив, вследствие понижения уровня подземных воддеформация упорных дамб намывных массивов и откосов отваловконсолидация отвальных насыпей, хранилищ отходов и намывных массивов гидроотвалов и хвостохранилищфильтрация загрязненных вод из гидроотвалов, хвостохранилищ и шламохранилищ в подземные водоносные горизонтызагрязнение атмосферы, почв и поверхностных водотоков пылью, стокамиизменение физических полей и т. д.

Обеспечению экологической безопасности на открытых горных работах, разработке новых безотходных технологий и проблемам комплексного использования сырья посвящены работы Н. В. Мельникова, В. В. Ржевского, К. Н. Трубецкого, В. И. Осипова, Л. А. Пучкова, Е. Ф. Шешко, A.M. Гальперина, П. И. Томакова, J1.H. Кашпара, B.C. Коваленко, М.Е. ГХевзнера, В. Д. Горлова, B.C. Хохрякова, И. И. Русского, К. Е. Винницкого, В. Г. Зотеева, H.H. Медникова, В. И. Аксенова, Ю. И. Анистратова, В. А. Ермолова и других [1923].

Инженерно-геологическое и гидрогеологическое обеспечение ведения горных работ, комплексное изучение массивов горных пород, разработка способа снижения вредного влияния техногенеза на окружающую среду отражены в работах П. Н. Панюкова, Г. Л. Фисенко, В.И. Данилова-Данильяна, В. А. Мироненко, И. И. Русского, Ю. А. Израэля, A.M. Гальперина, В. А. Королева, В. И. Комащенко, В. И. Стрельцова, П. С. Шпакова, В. В. Фромма, Е.А.

Кононенко, Ю. В. Кириченко, Ю. И. Кутепова, Г. К. Бондарика, Ю.А. Норва-това, Е. Ю. Куликовой, Н. А. Кутеповой и других [24−28].

Однако вопросам комплекснойоценки нарушенности. геологической' среды (техноли госферы) горнопромышленных природно-техногенных систем (ГГТТС) для управления их состоянием уделено недостаточно внимания.

Основной задачей охраны окружающей среды должно являться исключение или минимизация техногенного воздействия, выводящего горнопромышленную природно-техногенную систему из состояния экологического равновесия в негативную сторону и поддержка развития естественных природных процессов или целенаправленное техногенное воздействие, повышающих устойчивость системы и восстанавливающих равновесие на рассматриваемой территории.

Поэтому исследования по комплексной оценке состояния горнопромышленных природно-техногенных систем для управления процессами восстановления экологического равновесия являются актуальными.

Объект исследования. Объектами исследования являются действующие и законсервированные открытые горные разработки, образовавшие горнопромышленную природно-техногенную систему, состоящую из локальных (объектных) ПТС.

Целыо работы является инженерно-геологическое обоснование метода оценки нарушенности горным производством земель, позволяющее разработать мероприятия по управлению состоянием возникшей горнопромышленной природно-техногенной системы для восстановления экологического равновесия.

Идея работы заключается в выделении локальных зон природно-техногенных систем на основании критериев нарушенности горным производством земель.

Основные научные положения, выносимые на защиту, и их новизна:

1. Инженерно-геоэкологическое районирование горнопромышленных комплексов необходимо производить на основе критериев нарушенности.

13 ландшафтных, гидрологических, геологических, инженерно-геологических и экологических условий горнопромышленных природно-техногенных систем.

2. Выделение локальных объектов с данными инженерно-геологическими особенностями нарушеиности экологического равновесия должно производиться посредством поэтапного инженерно-геоэкологического районирования существующих горнопромышленных природно-техногенных систем.

3. Локальное (объектное) районирование позволяет производить комплексную оценку горнопромышленных природно-техногенных систем для управления их состоянием с целью снижения землеемкости и восстановления экологического равновесия.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций работы подтверждаются:

— анализом фондовых материалов, научно-технической литературы и проектной документации, законодательных и нормативных документов, инструктивно-методического материала;

— применением статистических методов обработки геологических, гидрологических, инженерно-геологических и экологических данных;

— применением современных методов, инженерно-геоэкологического районирования и оценки геологических, гидрологических, экологических параметров горнопромышленной природно-техногенной системы;

— удовлетворительной сходимостью результатов расчетов и натурных экспериментов и наблюдений (расхождение не более 5%);

— положительной апробацией полученных результатов диссертации.

Научное значение работы заключается в обосновании и разработке критериев и метода оценки нарушенных горным производством земель для выбора направления рекультивации по геологическим, гидрологическим, экологическим и горно-[ехнологическим условиям.

Практическое значение работы заключается:

— в типизации объектов горнопромышленной природно-техногенной системы и видов нарушений геологической среды при их эксплуатации;

— в обосновании и выборе направлений рекультивацнонных мероприятий в возникшей ГГТТС.

Методы исследований. При выполнении работы использованы следующие методы: натурных исследований, картографический, статистический, инженерно-геоэкологического районирования. При обработке и создании графических и картографических материалов использовался инструментарий программ растровой графики Adobe Photoshop, Corel draw, AutoCAD.

Реализация результатов работы. Разработанный метод оценки на-рушенности горным производством земель использован при благоустройстве территорий, входящих в состав Кувапдыкского района Оренбургской области.

Апробация работы. Основные научные положения и результаты исследований докладывались на таких международных, всероссийских научно-практических конференциях и симпозиумах, как: Международная Экологическая Конференция (2006 — 2010 гг.), «Неделя Горняка» (2007 — 2011 гг.) — Научно-техническое творчество молодежи (2006 — 2011 гг.), Всероссийский конкурс «Лучший экологический проект года» (2008 г.) — «Съезд гидромеханизаторов» (2008 г.), Международная научная школа молодых ученых и специалистов «Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых», посвященная Году молодежи (2009 г.), IV Международная научная конференция «Проблехмы природопользования и экологическая ситуация в Европейской России и сопредельных странах», Белгород (2010 г.), научных семинарах кафедры геологии МГГУ (2008;2011 гг.). Научная работа «Инженерно-геологическое обоснование метода оценки нарушенное&tradeгорным производством земель для восстановления экологического равновесия» на XI Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи НТТМ-2011 награждена медалью ВВЦ «За успехи в научно-техническом творчестве».

Публикации по теме диссертации. Основное содержание работы отражено в 13 печатных публикациях автора, из них 9 статей в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, и содержит 21 рисунок, 15 таблиц, список литературы, включающий 120 наименований, приложения.

Выводы:

1. Предложено новое направление рекультивацииучебно-рекреационное — это современное направление рекультивации на горных предприятиях, которое позволяет вернуть утраченные территории посредством создания на горнодобывающем предприятии научно-исследовательской, инновационной и образовательной, спортивной, рекреационной или иных баз (а также их комбинации) с частичным восстановлением земель и использованием геоморфологических, исторических, ландшафтных и природно-территориальных особенностей региона и самого горного предприятия.

2. Наиболее рациональным применительно к целому ряду возникших на территории России ГПТС является создание Межвузовских учебно-исследовательских центров (МВУИЦ).

3. Развитие учебно-рекреационных комплексов создается с учетом особенностей индустриального наследия любого из направлений горного дела, в экспозицию которых входят горные выработки, технические средства добычи полезных ископаемых, здания и сооружения, располагающиеся на дневной поверхности и т. д.

4. Блявинское месторождение медного колчедана обладает рядом особенностей, которые позволяют развивать данное направление. Оно представляет объект индустриального наследия, характеризуется геологическими, историческими, рекреационными особенностями.

5. Территория обладает ресурсным, рекреационным, ландшафтным, природным потенциалами для развития и реализации выбранного направления рекультивации.

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой содержится решение актуальной задачи по инженерно-геологическому обоснованию метода оценки нарушенное&tradeгорным производством земель для восстановления экологического равновесия, что вносит существенный вклад в теорию и практику горнопромышленной геологии и геоэкологии по обоснованию проектов сокращения нарушенных горными работами территорий и снижению негативного воздействия на окружающую природную среду.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Обоснована и определена горнопромышленная природно-техногенная система и ее типы в зависимости от степени техногенной нагрузки на геологическую среду и природные комплексы в процессе «жизнедеятельности» горнопромышленного предприятия.

2. Обоснованы критерии оценки нарушенных горным производством земель: критерий безопасностиэкологической безопасности предприятияэкологического потенциала территорииобеспеченности рекреационными ресурсами и рекреационный потенциалрекреационной нагрузкисоциально-экономической характеристики.

3. Установлена степень изменения горнопромышленных природио-техногенньтх систем на основе определения количественных показателей, оценивающих интенсивность техногенного воздействия, и показателей изме-ненности геологической среды в. результате воздействий.

4. Произведено инженерно-геоэкологическое районирование территории, результаты которого являются обоснованием мероприятий по восстановлению экологического равновесия, основывающееся на принципах инженерно-геологического районирования намывных техногенных массивов и эколого-геологического картирования территории с учетом отклонения по учитываемым параметрам каждой выделяемой зоны не только по сравнению с ранее существующими условиями в пределах рассматриваемой территории, но и в сравнении с условиями прилегающих участков аналогов.

5. Выделены зоны воздействия горнопромышленного комплекса и промышленных объектов (зона воздействия горнопромышленного комплекса не превышает санитарно-защитную зонузона воздействия горнопромышленного комплекса превышает санитарно-защитную зонузона воздействия горнопромышленного комплекса пересекается с зоной воздействия других промышленных объектов, образуя область наиболее интенсивного влияния на reo лого-экологическую среду) для конкретизации мероприятий по восстановлению экологического равновесия.

6. Разработанный метод оценки нарушенности горным производством земель использован при благоустройстве территорий, входящих в состав Ку-вандыкского района Оренбургской области.

7. Предложены восстановительные мероприятия с учетом учебно-рекреационного направления рекультивации исследуемой ГПТС на основании комплексной оценки нарушенности горным производством территорий.