ГЕОЭКОЛОГИЯ. ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ. ГИДРОГЕОЛОГИЯ. ГЕОКРИОЛОГИЯ, 2008, № 4, с. 291-300
УДК 622.502
СИСТЕМАТИЗАЦИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПОСЛЕДСТВИЙ ТЕХНОГЕННОГО ИЗМЕНЕНИЯ НЕДР В ПРОЦЕССЕ ИХ ОСВОЕНИЯ
© 2008 г. К. Н. Трубецкой, Ю. П. Галченко, Г. В. Сабянин
Институт проблем комплексного освоения недр РАН Поступила в редакцию 3.03.2008 г.
В статье в терминах и понятиях теоретической экологии развиты модельные представления о структуре техногенно измененных недр, как нового литосферного объекта, формирующегося и развивающегося по мере извлечения полезного ископаемого. Рассмотрены особенности формирования поля напряжений при использовании основных способов управления горным давлением при подземной разработке месторождений. Выполнена систематизация экологически значимых техногенных факторов горного производства, условий, вызывающих расширение зоны влияния этих факторов на поверхностные экосистемы и возможностей управления этими процессами за счет изменения геотехнологий. Дана общая методология оценки ущербов, наносимых геологической среде, биоте и абиоте экосистем земной поверхности, а также построения геотехнологий, обеспечивающих минимизацию этих ущербов.
В процессе освоения земных недр наиболее масштабным качественным и количественным изменениям подвергается литосфера, часть которой, имеющая хозяйственную ценность на современном этапе развития цивилизации, извлекается на поверхность и включается в оборот вещества и энергии антропогенных систем жизнеобеспечения человека. Предельные масштабы техногенного изменения недр определяются их способностью локализовать область техногенного воздействия и, со временем, включить эту область в эволюционный процесс окружающего ее породного массива. Поэтому обеспечение геоэкологической безопасности при освоении недр связано с фундаментальной научной проблемой геомеханики по исследованию влияния техногенных нагрузок на процессы, протекающие в динамических структурах литосферы, и требует решения двуединой научной задачи, включающей в себя, с одной стороны - раскрытие закономерностей изменения свойств природных объектов литосферы при техногенном вторжении в них для получения минерального сырья, а с другой -определение условий возникновения техногенных катастрофических явлений (грант РФФИ № 08-05-00889а).
Главная отличительная черта геоэкологии при освоении недр с целью получения части их ресурсов для развития современной цивилизации -объемное внешнее воздействие на окружающую среду. При этом активно нарушается состояние всех сфер Земли: литосферы, гидросферы, атмосферы, биосферы, а также антропосферы (сферы интересов человека) [5]. Для создания модельного представления о техногенно измененных
недрах можно воспользоваться терминами и понятиями теоретической экологии, трансформированными для конкретных условий освоения недр (грант РФФИ № 06-05-64338а).
По аналогии со структурой зон техногенного поражения биоты, в состав зоны геоэкологических изменений (техногенно измененных недр) входят участки полного нарушения первоначального состояния участка (объема) литосферы, вплоть до его изъятия из ее состава. Это - объем техногенного поражения литосферы. Вокруг этого объема формируется пространство, в пределах которого материал литосферы сохраняет свое агрегатное состояние, но меняет механические свойства (плотность, напряженно-деформированное состояние и т.д.). Размеры и форма этого пространства определяются естественными свойствами материала литосферы и характером техногенных преобразований участка полного разрушения литосферы. Преобразуя для этих условий классическую триаду экологии (загрязнение - транзитная среда - депонирующая среда) [4], можно сформулировать следующее построение: разрушение некоторого объема первично равновесной литосферы приводит к искажению геофизических полей ("загрязнение"); через транзитную среду - поле тяготения Земли - это "загрязнение" передается в нетронутые участки литосферы и приводит их в новое напряженно-деформированное состояние (депонируется в них). Принятие такой схемы взаимодействия, по аналогии с теоретической экологией, означает наличие внешней границы у зоны "загрязнения", на которой оно полностью депонировано элементами первичной системы. Таким образом, техногенно
измененные недра можно представить, как некий объем, окруженный неизмененной литосферой, внутри которого находятся зона техногенного разрушения литосферы и зона спровоцированного этим разрушением изменения напряженно-деформированного состояния ее пород. Для построения модельного представления о зоне полного разрушения литосферы (объем, оставшийся после выемки полезного ископаемого) можно воспользоваться известной моделью движения плот-ностных неоднородностей в твердой среде в гравитационном поле Земли, представив процесс извлечения части литосферы как процесс развития и движения неоднородностей с нулевой плотностью. Так как "техногенно измененные недра" включают в себя также участки (объемы) литосферы, затронутые сопутствующими изменениями состояния горных массивов без изменения их плотности, то принципиальное значение приобретает вопрос о внешней границе этих сопутствующих изменений состояния, то есть - вопрос о границах нового техногенного литосферного объекта.
Задача о переходах между двумя системами с различными свойствами - классическая задача теоретической экологии, в которой есть понятие "экотона" - как зоны перехода между различными биологическими сообществами, в которой проявляются встречные влияния этих сообществ [2]. Экотон представляет собой полосу на поверхности, в пределах которой свойства контактирующих систем вырождаются до нуля. Закон этого вырождения в каждом конкретном случае будет определяться строением систем и характером их взаимодействия. По своему содержанию и структуре такая модель достаточно адекватно описывает процессы взаимодействия техногенно измененных недр с невозмущенной литосферой, но задача приобретает трехмерный характер. То есть, техногенно измененные недра можно представить в виде замкнутого объемного литосферного объекта, ограниченного в пространстве двумя условными поверхностями "нулевого" влияния контактирующих систем. На внутренней поверхности не проявляется влияние невозмущенной литосферы, а на внешней - техногенно измененных недр.
При такой постановке проблемы для определения основных параметров изучаемого горными науками литосферного объекта - техногенно измененных недр - необходимо дать представление об основном объекте геомеханики - породном массиве в трех его состояниях:
• в невозмущенной литосфере;
• в зоне прямого техногенного воздействия;
• в зоне искажения геофизических полей (зона перехода свойств - экотон).
Исходя из известного определения понятия ущерба, как "... результата негативного изменения, в результате каких-либо действий или событий, состояния объектов, выражающегося в нарушении их целостности или ухудшения других свойств, фактические или возможные социальные и экономические потери, и ухудшение природной или окружающей человека среды.", экологические последствия ущерба, наносимого недрам при их освоении, можно представить в виде двух составляющих:
• негативное изменение состояния литосферы вплоть до полного разрушения отдельных ее участков;
• ухудшение природной или окружающей человека среды вследствие изменения состояния литосферы.
Применительно к первому случаю все многообразие технических и технологических решений, используемых при освоении месторождений твердого минерального сырья, можно объединить в группы, каждая из которых по-своему влияет на изменение свойств природных объектов литосферы, характеризуется определенными геомеханическими параметрами, динамикой и масштабами последствий техногенного вторжения в литосферу.
Для каждой из групп характерны свои, только ей присущие способы техногенного изменения свойств участков литосферы и специфические последствия, проявляющиеся при восстановлении равновесия в техногенно измененных участках недр после завершения процессов добычи полезных ископаемых.
К первой группе относятся технические и технологические решения, связанные с образованием полостей различной конфигурации в недрах литосферы, которые обладают природной способностью противостоять возмущению исходного поля напряжений, вызванному появлением полостей. Возникающие на контуре выработок напряжения и деформации со временем релаксируют без сколько-нибудь заметного влияния на окружающий массив. Время существования таких выработок может исчисляться столетиями, и они не вызывают существенных изменений в окружающих их природных объектах (образованиях) литосферы. К ним относятся выработки различного назначения при подземном строительстве, очистные выработки при добыче штучного камня, каменной соли, руд черных и цветных металлов, особенно при разработке месторождений под дном морей и водоемов, когда несущие целики рассчитываются на длительную прочность с большим запасом. Этот способ выемки характеризуется низким (около 30-40%) извлечением полезного ископаемого; основная масса запа-
сов месторождения при этом сосредоточена в целиках.
Развитие возмущений в литосфере при таком способе техногенного воздействия ограничивается поверхностными изменениями на контуре выработок и оставленных несущих опор, а вся картина перераспределения напряжений исходного поля охватывает незначительную часть массива, непосредственно прилегающую к выработанному пространству. Поведение таких выработок хорошо описывается классическими задачами теории упругости.
Ко второй группе относятся наиболее распространенные в угольной промышленности, черной и цветной металлургии, на предприятиях химической промышленности технологии добычи минерального сырья с обрушением налегающей толщи пород. Различные модификации данного способа разработки применяются при выемке пологих, наклонных и крутых залежей любой формы, начиная с поверхности и до глубин, исчисляемых тысячей и более метров. Основная отличительная черта этих технологий - обязательное обрушение налегающей толщи пород вслед за выемкой полезного ископаемого. Отработка месторождения осуществляется пл
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.