Восстановление нарушенных горными работами территорий при открытой разработке месторождений

РЕФЕРАТ. К негативным последствиям открытых разработок полезных ископаемых относится изъятие значительных земельных площадей из сельскохозяйственного оборота и их нарушение при ведении горных работ, изменение гидрогеологических условий в районе ведения таких работ и его ландшафтов, развитие эрозионных процессов, а также перемешивание пород с выносом на поверхность неплодородных и даже токсичных пород.

Рекультивация нарушенных земель представляет собой систему мероприятий, позволяющую сформировать в таких местах территорию с оптимальными параметрами почвенно-экологической и хозяйственной эффективности. Различают два этапа рекультивации территорий, нарушенных горными разработками, — горнотехнический и биологический. Выбор технологии проведения горнотехнического этапа рекультивации зависит от направления, в котором в последующем будут использоваться рекультивированные земли.

Ключевые слова: рекультивация, горнотехнический этап, нарушение земель, плодородный слой почвы.

Keywords: reclamation, mining technical stage, soil disturbance, top soil.

В зависимости от видов последующего использования рекультивированных земель нарушенные земли классифицируются по направлениям рекультивации. Основные факторы при выборе направления рекультивации:

⋅ климатические, геологические и гидрогео­логические условия района;

⋅ параметры техногенного рельефа, пригодность пород для освоения, степень их увлажнения и обводнения;

⋅ хозяйственные, социально-экономические и санитарно-гигиенические условия района размещения нарушенных земель, а также перспективы его развития;

⋅ показатели химического и гранулометрического состава, агрохимических и агрофизических свойств, инженерно-геологической характеристики вскрышных и вмещающих пород, размещаемых в отвалах.

Проведение рекультивационных работ следует технологически увязывать со структурой комплексной механизации горных работ, сроком эксплуатации и этапами развития карьера [1—4].

Горно-технический этап рекультивации предусматривает подготовку нарушенных горными работами земель к последующему целевому использованию:

⋅ вырубку леса и кустарников, корчевку пней, уборку камней и мусора, осушение;

⋅ селективное снятие, погрузку, транспортирование, складирование плодородного слоя почвы (ПСП) и потенциально-плодородных пород (ППП);

⋅ планировку поверхности нарушенных земель;

⋅ выполаживание или террасирование откосов отвалов и бортов карьерных выработок;

⋅ засыпку породой или заполнение водой остаточных карьерных выемок;

⋅ ликвидацию последствий осадки отвалов и противоэрозионные мероприятия;

⋅ мелиоративные мероприятия, направленные на улучшение химических и физических свойств отвальных грунтов, слагающих поверхность рекультивируемых земель, или устройство экрана из нейтральных пород (при необходимости);

⋅ нанесение на подготовленную поверх­ность ППП и ПСП для создания рекультивационного слоя;

⋅ строительство дорог, гидротехнических сооружений и выполнение других работ, предусмотренных проектом (рис. 1).

Рис. 1. Горнотехнический этап рекультивации выработанного пространства карьера

ПСП снимается со всех нарушаемых земель, перемещается во временные склады или непосредственно на рекультивируемые участки и используется для создания рекультивацион­ного слоя. ПСП может использоваться для повышения плодородия малопродуктивных угодий (землевания). Технология горных работ должна предусматривать опережающее снятие ПСП с нарушаемых земель. Расстояние опережающей разработки ПСП по отношению к верхнему вскрышному уступу (нижнему ярусу внешнего отвала) должно быть не меньше ширины вскрышной (отвальной) заходки и не больше годового подвигания фронта вскрышных (отвальных) работ. ПСП и ППП снимаются раздельно.

Не снимается ПСП мощностью менее 10 см на участках, занятых лесом, а также там, где микрорельеф местности не обеспечивает его механизированное снятие. В этом случае ПСП снимается вместе с подстилающим ППП. Под склады ПСП должны быть отведены непригодные для сельского хозяйства участки или малопродуктивные угодья, на которых исключается подтопление, засоление и загрязнение промышленными отходами и строительным мусором; склады не должны мешать в будущем проведению горных работ; расстояние от склада до рекультивируемых земель должно быть минимальным; высота склада с целью удобства последующей отгрузки ПСП не должна превышать 10—12 м. Если срок хранения превышает 2 года, поверхность склада и его откосы засеваются многолетними травами.

На рис. 2 представлены результаты реализации водо- и лесохозяйственного направления рекультивации карьера в условиях дефицита ППП и ПСП.

Рис. 2. Результаты реализации водо- и лесохозяйственного направления рекультивации карьера в условиях дефицита ППП и ПСП

Связь рекультивации с технологией и комплексной механизацией открытой разработки месторождения вызывает необходимость выполнять ряд требований [5—7]:

1. Для площадных месторождений, отрабатываемых этапами, отдельными карьерными полями, целесообразно размещать вскрышные породы отрабатываемых участков в выработанное пространство других участков.

2. Нужно применять системы разработки, при которых породы перемещают в выработанное пространство карьера.

3. Выбор систем разработки должен учитывать необходимость снятия ПСП отдельно от других слоев.

4. Внешние отвалы необходимо размещать на площадях, не пригодных для хозяйственного использования.

5. Для сокращения площади занимаемых земель следует соблюдать правильную форму основания отвалов — приближенную  к эллипсу или прямоугольнику.

6. Следует принимать способ формирования отвала, обеспечивающий сокращение объемов горно-планировочных работ при последующей его рекультивации.

7. Формирование техногенного ландшафта должно соответствовать выбранному направлению рекультивации.

Объем ПСП, снимаемого с площади горного отвода для рекультивации нарушенных земель, м³ [8]:

где S_i — ​площадь i-го участка горного отвода, м²; m_i — ​мощность ПСП, м; kПСП — ​коэффициент потерь ПСП (равен 0,9); n — ​число участков.

Снимаемый ПСП перемещается в бурты или специальные отвалы (как правило, высотой не более 10 м) на предварительно спланированные площади.

Площадь, занимаемая отвалами ПСП, м² [8]:

где h₀ — ​высота отвала ПСП, м.

Объем ПСП, необходимый для рекультивации, м³:

где S_P — ​площадь рекультивации, м²; m_p — ​мощность ПСП, размещаемого на рекультивируемой поверхности, м.

Для рекультивации всей площади нарушенных земель с нанесением ПСП необходимо выполнение следующего условия:  V_ПСП ≥ V_p.

В случае дефицита ПСП для рекультивации следует приобретать его и транспортировать с других участков при дальности перевозки не более 10 км.

Удельные затраты на проведение работ по снятию ПСП, руб./м³:

где C_MC — стоимость машино-смены применяемого на этих работах механизма, руб./ смен.; Q_P — ​производительность оборудования (бульдозера, погрузчика, экскаватора, скрепера), м³/смен.

Затраты на снятие ПСП, руб.:

Продолжительность работ по снятию ПСП, смен:

В случае использования транспорта для доставки ПСП и применения погрузки в транс­портные средства следует учесть затраты на его погрузку, руб.

где V_Пот — ​объем погружаемого ПСП, м³; CП — ​удельные затраты на погрузку, руб./м³; К_КР — ​коэффициент кратности транспортирования.

При размещении ПСП во временные отвалы (бурты) К_КР = 2, а при укладке непосредственно на рекультивируемую площадь К_КР = 1.

Затраты на транспортирование ПСП, руб.:

где С_ТР — ​удельные затраты на эти работы, руб./км; L_TP — ​дальность транспортирования, км; g — ​плотность пород ПСП, т/м³.

Затраты на планировку рекультивируемых площадей, руб.:

где V_ПЛ — ​объем планировки площади рекультивации, м³; k_ПЛ — ​коэффициент снижения объема вторичной планировки (k_ПЛ = 0,2...0,3); С_ПЛ — ​удельные затраты на планировку, руб./ м³.

где С_MC — ​стоимость машино-смены оборудования, применяемого на планировке поверх­ности, руб.; Q_ПЛ — ​производительность этого оборудования.

Затраты на выполаживание откосов, руб.: 

где V_ВЫП — ​объем этих работ, м³; С_ВЫП — ​удельные затраты на выполаживание, руб./м³.

Углы откосов уступов и ярусов отвалов после выполаживания не должны превышать угла естественного откоса пород.

Откосы можно выполаживать двумя способами: сверху вниз и снизу вверх. Объем работ по выполаживанию сверху вниз, м³:

где h_Я — ​высота яруса отвала, м; α₁ — ​угол выполаживания отвала (яруса отвала), °; α — ​угол отсыпки отвала (естественного откоса пород), °; Р_о — ​периметр отвала, м.

Выполаживание откоса способом «сверху вниз» предполагает увеличение площади карьера или отвала, что необходимо учитывать при проектировании.

Увеличение площади, необходимой для размещения пород при выполаживании откосов:

где L_З — ​увеличение заложения откоса после выполаживания его сверху вниз, м.

При прямоугольной форме основания от­вала

где l_o — ​длина отвала в плане, м; D_o — ​ширина отвала в плане, м.

Объем работ при выполаживании откоса снизу вверх, м³:

При выполаживании откосов снизу вверх объем работ увеличивается в 4 раза по сравнению с выполаживанием сверху вниз (см. уравнения (12) и (16)).

При формировании отвалов в два яруса и более для рекультивации необходимо создавать террасы (когда расстояние по вертикали между верхней и нижней площадками яруса больше 15 м).

Снижение объемов рекультивационных работ по выполаживанию и террасированию дости­гается организацией отвальных работ с учетом выбранного направления рекультивации. 

По завершении формирования первого яруса отвала целесообразно выполаживать откос яруса до угла, установленного в проекте горнотехнической рекультивации, с учетом требований к морфологии для установленного направления рекультивации. Размещать породы во второй ярус отвала следует на расстоянии Втер от верхней бровки нижележащего яруса до нижней бровки следующего яруса (Втер — ​ширина террасы):

где b_тер — ​ширина горизонтальной площадки террасы, м.

Перед выполаживанием и террасированием откосов отвалов следует рассчитать объем этих работ, м³:

где k — ​число ярусов отвала (k = 1,2,…j); h_Яj — высота j-го яруса отвала, м; Р_Оj — периметр j-го яруса отвала, м; b_терj— ширина j-й террасы, м.

На рис. 3 приведена зависимость объема работ по выполаживанию и террасированию от угла выполаживания, сформированная на основе базы данных, относящихся к группе карьеров-аналогов. Расчеты выполнены для двуяхърусного отвала с высотой яруса h = 10 м, углом естественного откоса яруса отвала α₁ = 30° и шириной террасы b = 10 м.

Рис. 3. Зависимость объема работ по выполаживанию и террасированию от угла выполаживания откоса отвала

Затраты средств на террасирование и выполаживание, руб.:

где C_тер — ​удельные затраты на террасирование и выполаживание, руб./м³, V_ТЕР = V_ВТ.

Объем работ при выполаживании и террасировании откосов отвалов в конечном положении (для которого работы по формированию закончены) в 10 раз больше, чем в ходе формирования отвалов с учетом рекультивации.

Объем работ при планировке ПСП на выположенных откосах отвала, м³:

где k_пок — ​коэффициент, учитывающий степень заполнения ПСП рекультивируемой поверхности (k_пок = 0,2 и 1 соответственно при лесохозяйственной и при сельскохозяйственной рекультивации).

Затраты на планировку ПСП на откосах и террасах отвала, руб.:

где СПО — ​удельные затраты на эти работы, руб./м³.

Затраты на создание инфраструктуры рекультивируемого объекта (подъездные дороги, защитные полосы и др.), руб.:

где L_дор.i — ​длина дороги к i-му рекультивируе­мому участку, км; C_д — удельные затраты на строительство дороги, руб./км.

Объем работ по планировке ПСП на террасах отвала, м³:

Таким образом, общие затраты на горнотехническую рекультивацию территорий, нарушенных открытыми горными работами:

При значении угла выполаживания, наиболее близком к углу естественного откоса, т. е. при α₁ → α, затраты на террасирование откосов и планировку на террасах будут стремиться к минимуму: (З_ВТ + З_ОТ) → min.

Сроки изъятия и восстановления земель прямо связаны с эффективностью разработки мес­торождений. Предприятия, на которых ведется добыча полезных ископаемых, уже в начальной стадии эксплуатации должны стремиться к скорейшему восстановлению нарушенных земель и возвращению их в народно-хозяйственное пользование, что позволяет снизить негативное воздействие нарушенных территорий на окружающую среду и уменьшить плату предприятий за загрязнение окружающей среды.

ЛИТЕРАТУРА

1. Агапов А. Е., Навитний А. М., Семикобыла Я. Г. Научные основы рекультивации нарушенных земель в районе закрываемых горных предприятий. М.: Росинформуголь, 2003. 285 с.

2. Коваленко В. С., Штейнгац Р. М., Голик Т. В. Рекультивация нарушенных земель на карьерах: учебное пособие. Ч. 1. Основные требования к рекультивации нарушенных земель. М.: Издательство МГГУ, 2008. 65 с.

3. Русак О. Е., Маринин М. А., Комаров Ю. А. Определение параметров складов горных пород с учетом выбранного направления горнотехнического этапа рекультивации // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2013. № 1. С. 401—405.

4. Сметанин В. И. Рекультивация и обустройство нарушенных земель. М.: КолосС, 2003. 94 с.

5. Зеньков И. В., Нефедов Б. Н., Сибирякова О. В., Кирюшина Е. В. Экономика рекультивации. Перспективы производства работ по рекультивации породных отвалов // Уголь. 2013. № 9. С. 84—85.

6. Фомин С. И. Убугунов Э. Л., Убугунов В. Л. Рациональное использование и восстановление нарушенных земель. Улан-Удэ: Изд-во Бурятского научного центра СО РАН, 2012. 87 с.

7. Фомин С. И., Фауль А. А., Маринин М. А. Оценка техногенного воздействия горнодобывающих предприятий на окружающую среду // Материалы Междунар. конф. «Экологическая геология: научно-практические, медицинские и экономико-правовые аспекты». 6—10 октября 2009 г. С. 189—192.

8. Маринин М. А. Технико-экономическая оценка реализации проектов горнотехнической рекультивации // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2014. № 3. С. 228—231.