ГЕОЭКОЛОГИЯ. ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ. ГИДРОГЕОЛОГИЯ. ГЕОКРИОЛОГИЯ, 2012, № 6, с. 520-526
УДК.624.131
ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНОГО ОСВОЕНИЯ ГОРНОПРОМЫШЛЕННЫХ ПРИРОДНО-ТЕХНОГЕННЫХ СИСТЕМ
© 2012 г. А. М. Гальперин*, Ю. В Кириченко*, В. А. Ермолов*, Ю. И. Кутепов**
* Московский государственный горный университет, Ленинский проспект, д. 6, Москва, 119991 Россия. E-mail: galperin_a@mail.ru ** Санкт-Петербургский горный институт, В.О., 21-я линия, д. 2, Санкт-Петербург, 199106 Россия. E-mail: koutepovy@mail.ru
Поступила в редакцию 01.10 2011 г.
Приведены разработки по реализации комплексного подхода к экологически безопасному освоению техногенных массивов на предприятиях горнодобывающих предприятий России (КМА и Кузбасс), предусматривающего применение методов и средств интерактивного мониторинга; гидромеханизированную разработку хвостохранилищ, как обводненных техногенных месторождений; формирование отвальных насыпей на гидроотвалах, использование отработанных карьеров для размещения гидровскрыши. Даны примеры гидромеханического мониторинга намывных сооружений Лебединского и Стойленского ГОКов.
Ключевые слова: открытые горные разработки, намывные горнотехнические сооружения, гид-рогеомеханические исследования, интерактивный мониторинг, рекультивация сложных горнопромышленных природно-техногенных систем.
Современный этап развития цивилизации обеспечивается увеличением добычи минерального сырья с сопутствующим ему возрастанием воздействия на геологическую среду. С каждым годом растет средняя глубина горных разработок, в добычу вовлекаются все более глубокозалегаю-щие полезные ископаемые, что, в свою очередь, увеличивает объемы извлекаемых вскрышных и вмещающих пород. По имеющимся данным, общее количество ежегодно перемещаемой на планете горной массы превышает 100 млрд т. Рост глубины карьеров, увеличение объемов складируемых во внешние отвалы вскрышных пород и обогащаемых полезных ископаемых и связанный с ним рост отходов, обусловливают расширение площадей нарушаемых земель и территорий, подвергающихся негативному влиянию горнодобывающих предприятий. Размеры земельных отводов крупнейших ГОКов измеряются тысячами гектаров отчуждаемых и нарушаемых земель (рис. 1).
Зоны негативного воздействия горнодобывающих предприятий на окружающую природную среду (ОПС) распространяются на десятки кило-
метров от места непосредственного проведения горных работ и значительно превышают площади земельных отводов. ОПС в районах разработки месторождений полезных ископаемых выходит из экологического равновесия - формируются горнопромышленные природно-техногенные системы (ГПТС).
В их состав на открытых разработках входят [1, 2]:
- карьеры, в пределах которых полностью разрушена геологическая среда, преобразован рельеф, изменены гидрогеологические условия, поверхностный сток и т.п.;
- внешние отвалы, также изменившие рельеф, поверхностный сток, уплотняющие залегающие в основании грунты и содержащие породы в стадии техногенеза и т.д.;
- гидроотвалы, содержащие водонасыщенные отложения и влияющие на режимы и состав грунтовых вод, а также формирующие техногенный поверхностный сток; они тоже изменяют рельеф местности;
Рис. 1. Космический снимок объектов Старо-Оскольского железорудного района КМА: карьеры: 1 - ЛГОКа, 2 - СГОКа; отвалы вскрышных пород: 3, 4 - ЛГОКа; 5 - СГОКа; 6 - рекультивированный гидроотвал "Березовый лог"(ЛГОК); 7 - хвос-тохранилище ЛГОКа; 8 - действующий гидроотвал ЛГОКа; 9 - хвостохранилище СГОКа; ГК1-4 - профили гидрогеомеха-нического контроля.
- хвостохранилища, которые обладают особенностями, присущими гидроотвалам, к тому же содержат еще и отложения со значительным измененным химическим составом;
- промплощадки, автодороги и т.п., влияние которых через спланированный рельеф, дополнительные нагрузки на породы оснований и загрязнение атмосферного воздуха.
В целом в районе горных разработок возникает неприсущий для данной территории горнопромышленный ландшафт с измененным средним климатом, уничтоженной флорой и фауной и сведенной к нулю продуктивностью земель. Физико-механические свойства пород в техногенных массивах и прибортовых зонах карьеров также претерпевают значительные изменения. Откосные сооружения намывных массивов при потере устойчивости приводят к катастрофическим последствиям в виде загрязнения прилегающих территорий, повреждения объектов, коммуникаций и оборудования, а зачастую и к гибели людей [1, 2].
Возникающие ГПТС динамичны как в своих границах, так и по свойствам и назначению. Например, законсервированные гидроотвалы и хвостохранилища могут служить техногенны-
ми месторождениями - первые как источник ре-культивационных грунтов и стройматериалов, вторые - в качестве поставок основного для месторождения или дополнительного минерального сырья.
Образующиеся на намывных горнотехнических сооружениях прудки могут использоваться для технического или противопожарного водоснабжения, а на гидроотвалах - в качестве орнитологических, рыбохозяйственных или рекреационных водоемов.
Работы по снижению негативного воздействия на экологическую обстановку в районе разработок должны происходить как в процессе работ, так и продолжаться после консервации объектов. В первую очередь это рекультивация нарушенных земель.
Эффективность восстановительных работ определяется знанием свойств возникающих локальных ПТС в составе ГПТС, моделированием "поведения" массивов в будущем и определением зоны воздействия горных разработок. Необходимой предпосылкой разработки экологически безопасных технологических решений по освоению возникших ГПТС является учет физико-геогра-
фических, геологических, инженерно-геологических, гидрогеологических и горнотехнических факторов, определяющих состояние и характер возможного изменения геологической среды. А в целом, все этапы разработки полезных ископаемых со всеми сопутствующими работами должны осуществляться с минимизацией ущерба для окружающей среды.
Геоэкологический подход к снижению негативного влияния ГПТС на природную среду включает разработку экологически безопасных технологических решений по формированию и освоению объектных (локальных) ПТС. Такой подход был реализован в совместных разработках ученых кафедры геологии МГГУ, Научного центра геомеханики и горного производства СПбГИ (ТУ), ВСЕГИНГЕО, ВИОГЕМ и производственников "Кузбассразрезугля" и Стойленского ГОКа.
Впервые в отечественной и зарубежной горной науке и практике реализован комплексный подход к экологически безопасному освоению техногенных массивов, предусматривающий:
• получение информации об их состоянии на всех стадиях формирования и последующего использования с применением различных средств и способов интерактивного мониторинга;
• их разработку (преимущественно гидромеханизированную) как обводненных техногенных месторождений;
• дальнейшее наращивание гидроотвалов и хвостохранилищ как намывных сооружений для повышения их вместимости, экономии земельных и водных ресурсов;
• использование территорий гидроотвалов и хвостохранилищ в качестве оснований отвалов "сухой" вскрыши (рис. 2);
• использование территорий гидроотвалов и хвостохранилищ в качестве рекультивации поверхности отвальных и гидроотвальных массивов;
• гидромеханизированную разработку гидроотвалов для подготовки перекрываемых ими угольных месторождений к разработке открытым способом;
• функционирование комплекса локальных природно-техногенных систем, включающего отвальную насыпь, намывной массив и борт карьера.
Исследования базируются на современных достижениях фундаментальной науки - теориях
фильтрационной консолидации и ползучести грунтов, предельного напряженного состояния и предельного равновесия сыпучей среды со сцеплением, а также прикладных наук - горного дела, инженерной геологии, гидрогеологии, гидрогео-механики [1, 2, 6].
Результаты теоретических исследований подтверждены экспериментальными работами, включающими:
• изучение динамики порового давления в техногенных массивах при формировании насыпных и намывных отвалов;
• изучение закономерностей изменения состава, состояния и свойств техногенных отложений;
• установление параметров зоны влияния отвала при формировании насыпей на слабых водона-сыщенных основаниях [5];
• определение параметров нелинейной консолидации и ползучести намывных отложений;
• установление морфологии и механизма оползнепроявлений при отсыпке отвалов на слабых основаниях;
• инженерно-геологическое районирование техногенных массивов;
• оценку качественных показателей техногенных угольных и рудных месторождений;
• обратные расчеты инженерно-геологических свойств (характеристик) по данным замеров по-рового давления, осадок техногенных массивов, оползневых смещений с целью моделирования "поведения" массивов во времени.
В процессе реализации данной работы разработаны и внедрены новые способы и технические средства мониторинга техногенных массивов:
• способ комплексного зондирования устройствами МГГУ-ДИГЭС, пенетрационно-каротаж-ной станцией ВСЕГИНГЕО, установкой гидро-геомеханического контроля УГК-1 и типоряд оригинальных зондов;
• способ дистанционного контроля состояния труднодоступных намывных территорий с применением аэрофотограмметрической съемки для определения осадок намывного массива и его несущей способности;
• способ интерактивного удаленного контроля устойчивости откосов дамб намывных сооружений и отвальных насыпей на слабых основаниях по обоснованным гидрогеомеханическим крите-
риям безопасности посредством сотовой связи стандарта GSM (рис. 3, 4);
технические средства измерения деформаций откосов отвалов сухих пород на слабых основаниях, обеспечивающих установление критических значений деформаций для управления процессом отвалообразования [5].
В результате теоретических и натурных исследований на горнодобывающих предприятиях КМА, Кузбасса, Олкона разработаны и внедрены безопасные и экологически эффективные технологические схемы отвальных и вскрышных работ, обеспечивающие повышение вместимости отвальных сооружений, ускорение водооборота при использовании средст
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.