Экологическая оценка биокосно-отвальной горно-технической системы угольных разрезов Забайкальского края для агротехнологий

Актуальность. Любое горнодобывающее предприятие представляет собой комплексный источник воздействия на окружающую среду. Наиболее разрушительными в этом отношении являются открытые разработки, которые характеризуются разнообразием характера воздействия на компоненты природной среды. Наиболее значимы по площади и визуально видимы геомеханические нарушения земной поверхности, особенно на отрабатываемых горизонтально и слабонаклоннозалегающих угольных месторождениях. Группами нарушений таких месторождений, занимающих основные площади отчуждаемых земельных отводов, являются разрезы (выемки) и вскрышные отвалы (насыпи). На значительном числе предприятий угольной промышленности, ведущих разработку месторождений полезных ископаемых более 20−25 лет, не соблюдались требования последнего Федерального закона об охране окружающей среды и складирование вскрышных отвалов, как правило, велось на предварительно снятый потенциально-плодородный слой. В покрывающих, а также в подстилающих угольный пласт породах большинства месторождений встречаются такие элементы, как ртуть, свинец, мышьяк, цинк и кадмий, т. е. экологически токсичные элементы. В большей части пород вскрыши встречаются и другие токсичные элементы, по мнению ряда ученых, что в значительной степени осложняет использование таких пород при рекультивации.

Особый интерес вызывает засыпанный «старыми» отвалами вскрышных пород потенциально-плодородный слой с точки зрения сохранения в них питательных веществ, который целесообразно использовать в дальнейшем на биологической стадии восстановления нарушенных земель. Поэтому, исследования по оценке содержания питательных веществ в верхней части рекультивируемых участков, предназначаемых для использования в агросистемах, приобретает все большую актуальность.

Работа выполнена на основе хоздоговорных научно-исследовательских работ, исполнителем которых являлся автор, по заказам предприятий и в соответствии с б аучно-технической программой НИР «Экологически чистое горное производство», а также комплексной программой МинВУЗа РФ «Экологическая технология. Человек и окружающая среда».

Объектом исследований являлись биокосно-отвальные системы угледобывающих разрезов Забайкальского края.

Предмет исследования. Изменение питательных веществ (NPK и органическое вещество) в биокосно-отвальном смешанном слое, находящимся длительное время под отвалами пород вскрыши и после горно-планировочных работ размещенном на вскрышных породах и предусматриваемых для использования в агросистемах.

Основ ная идея работы. При отработке угольных месторождений открытым способом часть природно-технической системы угледобывающих предприятий можно перевести в агросистемы, применяя экскаваторную технологию ведения горно-планировочных работ с использованием вскрышного экскаватора-драглайна. При этом рекультивировать вскрышные отвалы и часть внутренних отвалов под лесохозяйственное и сельскохозяйственное использование, борта разреза — под пляжные зоны, а на базе карьерной выемки создать водоем.

Цель исследования. С учетом временного фактора оценить изменение содержания питательных веществ в верхней части восстановленных земель, предусмотренных для скорейшего продуцирования естественной и высаженной биоты.

ОсноЕ.ные задачи исследования.

1. Изучить природно-климатические особенности районов расположения угледобывающих предприятий и условия формирования природно-технических систем в дальнейшем, после рекультивации отвалов, используемых как агросистемы.

2. Обосновать рациональную технологию выполнения горнотехнического этапа рекультивации вскрышных отвалов, с целью перевода части природно-технической системы угледобывающих предприятий в агросистемы.

3. Определить содержание питательных веществ (натрия, калия, фосфора и органического вещества) в поверхностном слое вскрышных отвалов после их рекультивации и нанесения на них потенциального плодородного слоя (ППС) грунта.

4. Определить факторы, влияющие на сохранение питательных веществ, в ППС находящимся длительное время под отвалами вскрышных пород.

5. Выявить закономерности распределения концентрации питательных веществ в ППС, находящимся под отвалами пород вскрыши различного возраста с учетом зременного фактора.

6. Установить возможность эффективного использования верхних участков рекультивированных земель под лесопосадки, а более низких участков в сельскохозяйственном направлении с учетом урожайности районированных сортов травянистых и кустарниковых растений и дать рекомендации по конкретному их видовому составу.

Защищаемые научные положения.

1. Зона влияния пылящих отвалов природно-технической системы угледобывающих предприятий в условиях резко-континентального климата устраняется путем применения экскаваторной технологии горно-планировочных работ с использованием вскрышного экскаватора-драглайна, для которой предложена методика определения объемов рекультивации на площади 1 га при сплошном складировании пород вскрыши в один ряд вдоль борта угольного разреза.

2. Рекультивация вскрышных отвалов и создание агросистем на основе установленных содержаний питательных веществ в потенциально плодородном слое, находящимся длительное время под породами вскрыши обеспечивает снижение последствий техногенеза для земельных ресурсов при открытой разработке угольных месторождений. Рекультивированные участки целесообразно использовать в лесохозяйственном направлении, а так же для посева районированных видов травянистой и кустарниковой растительности, а карьерную выемку после полного завершения горных работ — для пляжных зон и водоемов.

Достоверность и обоснованность выводов подтверждена представительностью взятых почвенных образцов и результатами экспериментальных исследований, проведенных аккредитованной лабораторией, ошибка которых по данным математической обработки с применением известных методов теории вероятности составила 6−8%.

Личный вклад автора заключается в выборе объекта и предмета исследования, постановке целей и задач исследования. Предложена и апробирована экскаваторная технология рекультивации вскрышных отвалов на угольном разрезе, ранге применявшаяся только на россыпных месторождениях. Автором проведен отбор представительного количества проб, выполнена математическая обработка результатов лабораторного анализа, на основе результатов анализа проб даны рекомендации по использованию полученной агросистемы в сельском хозяйстве.

Научная новизна работы:

— предложен метод оценки наличия и конкретного содержания питательных веществ в поверхностном слое рекультивированных отвалов вскрышных пород с учетом временного фактора;

— установлена зависимость содержания питательных веществ в поверхностном слое рекультивированных рыхлых вскрышных отвалов, покрытых сверху потенциально-плодородным слоем длительное время находящимся под породами вскрыши с учетом временного и пространственного факторов.

Практическая значимость работы:

— предложена технологическая схема рекультивации нарушенных земель, предназначаемых под агросистемы на угольных разрезах Забайкалья на основе использования вскрышного экскаватора-драглайна с учетом резкоконтинентального климата региона;

— даны рекомендации по дальнейшему использованию как агросистем восстановленных земель с предложениями по посеву конкретного видового состава травяк истой и кустарниковой растительности;

— внедрены результаты диссертационного исследования на стадии пред-проектных и проектных работ при выполнении оценки воздействия ООО «Чи-тауголь» «Разрез Восточный» и ОАО «Разрез Харанорский» на окружающую среду, а также при разработке разделов «Охрана окружающей среды», подраздела «Охрана и рациональное использование земельных ресурсов» в рабочих проектах для тех же угледобывающих разрезов;

— результаты диссертационных исследований автора использованы при чтении дисциплин «Введение в специальность», «Экология горного производства», Комплексное использование и охрана природных ресурсов" для студентов специальности 130 403.65 «Открытые горные работы» Горного института ЧитГУ, а так же при написании автором учебного пособия «Экологические основы природопользования» и при составлении методических указаний по выполнению выпускных квалификационных работ для студентов специальности 110 201 «Агрономия» ЗабАИ.

Апробация результатов исследования. Основные положения и практические результаты работы докладывались и обсуждались на научно-практической конференции «Научное обоснование систем земледелия Забайкалья» (г. Чита, 2003), международной конференции «Проблемы образования науки и воспитания студентов в аграрных учебных заведениях» (г. Чита, 2004), на научном симпозиуме «Неделя горняка-2005, 2009» в МГГУ (г. Москва), на международной молодежной научно-практической конференции «Молодежь Забайкалья: культура здоровья — здоровое общество» (г. Чита, 2006), на научно-практической конференции «Актуальные проблемы аграрной науки и образования» (г. Чита, 2007), на научно-технических конференциях Горного института ЧитГУ (г. Чита, 2006;2009), на XII Международной молодежной научно-практической конференции «Молодежь Забайкалья: перспективы развития края», (г. Чита, ЗабИЖТ, 2008).

Автор выражает глубокую признательность и благодарность научному руководителю доктору технических наук, профессору Ю. М. Овешникову за консультации и помощь при подготовке и написании диссертации и автореферата, кандидату технических наук, доценту кафедры открытых горных работ ЧитГУ М. Р. Гильфанову, за ценные советы при подготовке диссертацииколлективу ФГУП «Станция агрохимической службы Читинская» за помощь в проведении анализов, ООО «Читауголь» «Разрез Восточный» в лице директора В. М. Степанова и главного инженера В. Н. Соколова, за содействие при проведении экспериментальных работ на угольном разрезе «Восточный» ООО «Читауголь».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, из них 4 в изданиях рекомендованных ВАК РФ.

Объем и структура работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 108 наименований и содержит 118 страниц машинописного текста, 14 рисунков, 29 таблиц и 2 приложения.

ВЫВОДЫ:

— Основными показателями, характеризующими загрязнения почв, являются химические, санитарные и биологические.

— Рассмотрены пути рационального использования земельных ресурсов при рекультивации нарушенных земель, основными из которых для исследуемого угольного разреза будут лесохозяйственное, сельскохозяйственное и рекреационное с водохозяйственным.

— При рекультивации предусматривается проведение технического и биологического этапов. Приведены объемы земляных работ при ежегодном выполнении рекультивации, а также площади восстановления земель по годам эксплуатации разреза «Восточный» ООО «Читауголь» в соответствии с проектом разработки Татауровского буроугольного месторождения.

— Рассчитан экономический ущерб земельным ресурсам, причиняемый разрезом «Восточный» ООО «Читауголь», а также удельный экономический ущерб на 1 м³ горной массы.

— На основании результатов исследований автором выявлена динамика нарушения земель разрезом «Восточный» ООО «Читауголь» до 2020 г. и динамика восстановления нарушенных земель до 2023 г., используя которые были разработаны соответственно календарный план нарушения земель, а также календарный план восстановления земель до 2013 г., реализация которых поэтапно осуществляется предприятием.

— На основании проведения опытных работ на рекультивированных отвалах угольных разрезов «Восточный» ООО «Читауголь» и «Харанорский», а также с учетом полученных результатов анализа проб на предмет содержания в них питательных веществ (NPK и органическое вещество) даны рекомендации по посадке районированных видов кустарниковой и посеву травянистой растительности, а именно посадки облепихи, акации белой, посеву люцерны синегибрид-ной, эспарцета песчаного, донника белого биогруппами. Такие биогруппы— семенники обеспечивают в первые же годы распространение растений на всей прилегающей площади отвалов естественным путем, что позволит создать устойчивый многолетий агроценоз.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе дано решение актуальной научно-практической задачи снижения негативного воздействия природно-технической системы угледобывающих предприятий на окружающую среду путем рекультивации пылящих вскрышных отвалов с подстилающими их потенциально-плодородными грунтами, используемыми в агротехнологиях.

Основные научные результаты и выводы заключаются в следующем:

1. На основе существующей классификации технологических схем формирования откосов и рекультивации отвалов на угольных разрезах предложена технологическая схема выполаживания рыхлых вскрышных отвалов, ранее применявшаяся на россыпных месторождениях с применением штатного экскаватора-драглайна, которая относится к частично совмещенным технологическим схемам формирования откосов и рекультивации отвалов, отстающих во времени и пространстве от отвальных работ.

2. Разработана методика обследования рекультивированной площади рыхлых вскрышных отвалов, покрытой сверху потенциально-плодородными грунтами длительное время находящимися под породами отвалов вскрыши.

3. Взятые пробы образцов грунта на рекультивированных площадях вскрышных отвалов позволили сделать заключение о качественно-количественном содержании и динамике сохранения (накопления) в них питательных веществ.

4. Результаты анализа проб грунта на восстановленных площадях угольных разрезов позволяют сделать вывод о возможности использования при биологической рекультивации отвалов, сложенных из горных пород легкого механического состава, для посадки кустарниковых (облепихи, акации и т. д.), а также посеве биогруппами различных районированных видов многолетних трав для создания кормовых угодий подсобных хозяйств угледобывающего предприятия.

5. Такие биогруппы — семенники, представленные люцерной синегиб-ридной, эспарцетом песчаным и донником белым обеспечивают в дальнейшем распространение растений на всей прилегающей площади отвалов естественным путем, что позволит значительно повысить ферментативную активность, являющуюся показателем улучшения свойств отвальных грунтов.