«ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ОТВАЛОВ НА ГОРНОТЕХНИЧЕСКОМ ЭТАПЕ РЕКУЛЬТИВАЦИИ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ОТКРЫТОЙ РАЗРАБОТКИ КРУТОПАДАЮЩИХ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ...»

Министерство образования и наук

и Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

На правах рукописи

МАРИНИН МИХАИЛ АНАТОЛЬЕВИЧ

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ОТВАЛОВ НА

ГОРНОТЕХНИЧЕСКОМ ЭТАПЕ РЕКУЛЬТИВАЦИИ ПРИ

ПРОЕКТИРОВАНИИ ОТКРЫТОЙ РАЗРАБОТКИ

КРУТОПАДАЮЩИХ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Специальность 25.00.21 – Теоретические основы проектирования горнотехнических систем Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель – доктор технических наук Фомин С.И.

Санкт-Петербург-

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ГОРНОТЕХНИЧЕСКОЙ РЕКУЛЬТИВАЦИИ НАРУШЕННЫХ

ГОРНЫМИ РАБОТАМИ ТЕРРИТОРИЙ. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 ЦЕЛЬ, ИДЕЯ И ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ РАБОТЫ

1.2 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ГОРНОТЕХНИЧЕСКОЙ

РЕКУЛЬТИВАЦИИ РУДНЫХ КАРЬЕРОВ И ОТВАЛОВ

1.3 ОБОСНОВАНИЕ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ МЕТОДОВ ПРОВЕДЕНИЯ

ГОРНОТЕХНИЧЕСКОГО ЭТАПА РЕКУЛЬТИВАЦИИ РУДНЫХ КАРЬЕРОВ

2 АНАЛИЗ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ОТВАЛОВ НА ГОРНОТЕХНИЧЕСКОМ

ЭТАПЕ РЕКУЛЬТИВАЦИИ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ОТКРЫТОЙ РАЗРАБОТКИ РУДНЫХ

КРУТОПАДАЮЩИХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

2.1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ОТВАЛОВ ПО КРИТЕРИЮ

МИНИМУМ ЗАНИМАЕМОЙ ПЛОЩАДИ

2.2 ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ НАВАЛОВ ПЛОДОРОДНОГО СЛОЯ ПОЧВЫ НА

ГОРНОТЕХНИЧЕСКОМ ЭТАПЕ РЕКУЛЬТИВАЦИИ

2.3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ НЕОБХОДИМОГО ОБЪЁМА ПЛОДОРОДНЫХ ПОРОД ДЛЯ

РАЗМЕЩЕНИЯ НА ПОВЕРХНОСТИ ОТВАЛА

2.4 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2

3 ОБОСНОВАНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ГОРНОТЕХНИЧЕСКОГО ЭТАПА РЕКУЛЬТИВАЦИИ

РУДНЫХ КАРЬЕРОВ

3.1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ БУЛЬДОЗЕРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ГОРНОТЕХНИЧЕСКОГО ЭТАПА РЕКУЛЬТИВАЦИИ

РУДНЫХ КАРЕРОВ

3.2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ

ГОРНОТЕХНИЧЕСКОЙ РЕКУЛЬТИВАЦИИ НАРУШЕННЫХ ГОРНЫМИ РАБОТАМИ

ЗЕМЕЛЬ

3.3 АНАЛИЗ ПРОЕКТНЫХ РЕШЕНИЙ ПО ВЫБОРУ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ

ВЕДЕНИЯ РЕКУЛЬТИВАЦИОННЫХ РАБОТ

3.4 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3

4 РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРИ РЕКУЛЬТИВАЦИИ ТЕРРИТОРИЙ

ОТКРЫТОЙ РАЗРАБОТКИ РУДНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ В УСЛОВИЯХ СЕВЕРА........ 4.1 КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕСТОРОЖДЕНИЯ АНАЛИЗ ГОРНОГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ МЕСТОРОЖДЕНИЯ

4.2 ТЕХНОЛОГИЯ ВЕДЕНИЯ ГОРНЫХ РАБОТ ПО РЕКУЛЬТИВАЦИИ ОТВАЛОВ........

4.3 ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНИЧЕСКОГО ЭТАПА

РЕКУЛЬТИВАЦИИ НАРУШЕННЫХ ЗЕМЕЛЬ

4.4 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Рост промышленного производства и увеличение численности населения приводит к интенсификации негативного воздействия на окружающую среду. Под влиянием развития горнодобывающей промышленности произошли заметные изменения в поверхностной части атмосферы и в первую очередь в почвенном слое земли.

На современном этапе научно-технического прогресса охрана природы и рациональное использование природных ресурсов становится одной из важнейших задач общества. Особое значение приобретает проблема рационального использования земельных ресурсов.

Основной рост объемов добычи полезных ископаемых осуществляется за счет развития открытого способа ведения горных работ. К негативным последствиям открытых разработок относится изъятие значительных земельных площадей и их нарушение при ведении горных работ, изменение гидрогеологических условий и его ландшафтов, развитие эрозионных процессов, а также перемешивание пород с выносом на поверхность неплодородных и даже токсичных пород.

В процессе горного производства образуются и быстро увеличиваются площади, нарушенные горными разработками, отвалами пород и отходов переработки, которые в свою очередь представляют собой техногенные территории, отрицательно влияющие на окружающую среду.

При отвалообразовании вскрышные породы, как правило, отсыпают без учета пригодности их для рекультивации, а при формировании внешних отвалов не всегда учитывают требования рационального землепользования и выбранного направления рекультивации.

Все нарушенные земли являются опасным источником заражения больших площадей токсичными элементами и тяжелыми металлами в формах, доступных для животных и человека. Эти геохимические нарушенные земли часто значительно (в несколько раз) превышают площади механически разрушенных почв и грунтов.

Таким образом, предупреждение и снижение вредного воздействия горнодобывающей промышленности на земельные ресурсы, устранение последствий разрушения и загрязнения почв, восстановление продуктивности и плодородия этих земель, то есть их рекультивация, приобретают все большее хозяйственное, социально-экономическое и экологическое значение, особенно в промышленных районах с большой плотностью населения.

Нарушенными считаются земли, утратившие свою хозяйственную ценность или являющиеся источником отрицательного воздействия на окружающую среду в связи с нарушением почвенного слоя, гидрогеологического режима и образованием техногенного рельефа.

Согласно требованиям Закона Российской Федерации "О недрах", природоохранного и земельного законодательства участки земли и другие природные объекты, нарушенные горными разработками, должны быть приведены в состояние, пригодное для их дальнейшего использования.

Основным способом восстановления природных систем является рекультивация нарушенных земель. Это система технологических и биологических мероприятий, позволяющая сформировать на месте нарушенных земель участок территории с заданными параметрами почвенно-экологической и хозяйственной эффективности.

В процессе рекультивации территорий, нарушенных горными разработками, различают два этапа - горнотехнический и биологический. Выбор технологии проведения горнотехнической рекультивации зависит от направления последующего использования рекультивированных земель.

В зависимости от целей последующего использования рекультивированных земель в народном хозяйстве нарушенные земли классифицируются по направлениям рекультивации. Рассмотрение вопросов рекультивации карьера и отвалов является обязательной частью проектной документации. Обоснованные проектные решения по параметрам горнотехнического этапа рекультивации позволяют повысить экономическую эффективность реализации проекта, получить экологический и социальный эффект.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ГОРНОТЕХНИЧЕСКОЙ РЕКУЛЬТИВАЦИИ

НАРУШЕННЫХ ГОРНЫМИ РАБОТАМИ ТЕРРИТОРИЙ.

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 ЦЕЛЬ, ИДЕЯ И ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ РАБОТЫ

Актуальность работы. Проектирование горнотехнической рекультивации нарушенных земель на месторождениях полезных ископаемых должно осуществляться в соответствии с требованиями инструктивно-методических документов и научно обоснованных рекомендаций.

В соответствии с действующим законодательством предприятия, организации и учреждения, разрабатывающие месторождения полезных ископаемых и торфа, проводящие геологоразведочные, изыскательские, строительные и иные работы на сельскохозяйственных и других землях или лесных угодьях обязаны по завершении работ на этих землях за свой счет приводить их в состояние, пригодное для использования в сельском, лесном, рыбном хозяйстве, строительстве или для иного целевого назначения.

Предприятия, организации и учреждения при проведении указанных работ обязаны также снимать, хранить и наносить плодородный или потенциально плодородный слой почвы на рекультивируемые земли или на малопродуктивные угодья.

Горнодобывающие предприятия, проводящие работы, которые оказывают отрицательные воздействия на сельскохозяйственные, лесные и другие угодья за пределами предоставленных земельных участков, обязаны предусматривать и осуществлять мероприятия по предотвращению или максимально возможному ограничению отрицательных воздействий.

Работы технического этапа рекультивации на отработанных территориях должны начинаться не позже чем через 1 год после окончания добычных работ.

Рекультивационные работы на землях, нарушенных или подлежащих нарушению открытыми горными разработками, следует проводить по специальному проекту, составленному на основе изучения и анализа данных, характеризующих природные физико-геологические условия местности, хозяйственные, социальноэкономические и санитарно-гигиенические условия района технологию ведения восстановительных работ, экономическую целесообразность и социальный эффект от рекультивации и согласованному с органами государственного надзора.

Производство рекультивационных работ следует технологически увязывать со структурой комплексной механизации основных горных работ, сроком эксплуатации и стадиями развития карьера.

Карьеры, действующие многие годы, до сих пор не имеют проектов рекультивации, либо они были составлены более 20 лет назад и в силу этого далеки от реальной ситуации в развитии горных работ, поэтому нуждаются в корректировке. Наиболее затратной частью является горнотехнический этап рекультивации, связанный с планировкой поверхности, выполаживанием откосов, снятием и размещение плодородного слоя почвы и другими горных видами работ. В настоящее время при разработке проектов рекультивации и выборе технологии её проведения необходимо исходить из перспектив территориального планирования.

Проекты рекультивации территорий нарушенных в процессе добычи полезных ископаемых, должны предусматривать минимальное отчуждение земель для нужд собственно закрытия горного предприятия, сохранение и рациональное использование почвенного слоя, максимальное восстановление нарушенных участков и возвращение их в пользование арендодателю. Утвержденный проект рекультивации обязателен для рационального использования земельных ресурсов каждым горным предприятием.

Проведение технической рекультивации в процессе эксплуатации карьера, с учётом выбранного направления рекультивации, позволяет осуществлять работы за счет основной деятельности предприятия, сократить платежи за аренду территорий и выбросы загрязняющих веществ, затраты на проведение восстановления нарушенных земель.

Площадь земель, нарушенных в процессе недропользования, в нашей стране составляет свыше 1,5 млн. га. Растущие потребности промышленности в минеральном сырье влекут за собой прирост площадей нарушенных земель. Природные, горно-технические и социально-экономические условия, определяющие сложность технических и экологических процессов, связанных с разработкой недр и восстановлением нарушаемых при этом земель отличаются широким разнообразием.

Производство рекультивационных работ следует технологически увязывать со структурой комплексной механизации основных горных работ, сроком эксплуатации и стадиями развития карьера. Технический этап рекультивации рассматривается как неотъемлемая часть горной технологии, и учет требований рекультивации на этом этапе обеспечивает создание наиболее благоприятных условий для последующего освоения нарушенных земель. При разработке крутопадающих рудных месторождений карьерами, как правило, рекультивация выработанного пространства заключается в очистке территории от техногенных остатков, приведение её в безопасное состояние или затопление карьера при прекращении водоотлива.

При этом рекультивация внешних отвалов проводится после завершения или на заключительном этапе отвалообразования. Проектирование и формирование отвалов осуществляется без учета требований к параметрам горнотехнической рекультивации Выбор схем вскрытия месторождений, систем разработки, размещения внешних отвалов, их параметров и технологии отсыпки должен производиться в тесной увязке с ландшафтной организацией территории, установлением очередности рекультивации отдельных объектов и последующих направлений использования рекультивируемых земель на основе технико-экономического сравнения вариантов. Необходимо, чтобы рекультивация нарушенных земель имела системный характер в течение всего периода эксплуатации недр горным предприятием, а не на стадии его закрытия.

Таким образом, разработка и обоснование методики определения параметров отвалов на горнотехническом этапе рекультивации при проектировании карьеров, с учётом горнотехнических и горно-геологических особенностей открытой разработки рудных крутопадающих месторождений, является актуальной научной задачей.

Цель работы. Обоснование и разработка методики определения параметров отвалов на горнотехническом этапе рекультивации, с учетом горногеологических особенностей крутопадающих рудных месторождений, выбранного направления рекультивации земель и ускоренного возврата нарушенных площадей, позволяющих повысить эффективность открытой разработки и достоверность проектных решений.

Идея работы. Определение параметров отвалов на горнотехническом этапе рекультивации должно базироваться на разработанной методике, учитывающей горнотехнические особенности открытой разработки крутопадающих рудных месторождений, принятое направление использования восстанавливаемых земель, обеспечивающей повышение эффективности проектных решений.

Задачи исследования:

горнотехнического этапа рекультивации карьеров, отрабатывающих рудные крутопадающие месторождения.

направления использования рекультивируемых земель, определяемых характеристикой техногенных условий нарушенных земель и сложностью их подготовки.

Разработка методики оценки эффективности проектных решений при реализации различных способов и последовательности проведения работ горнотехнического этапа рекультивации нарушенных горными работами земель.

рекультивации при проектировании открытой разработки крутопадающих рудных месторождений с учетом направления последующего использования восстанавливаемых территорий.

Научная новизна:

1. Обоснован вид критерия и разработана методика оценки эффективности проектных решений при реализации различных способов и последовательности проведения работ горнотехнического этапа рекультивации нарушенных горными работами земель при открытой разработке рудных месторождений.

2. Установлена аналитическая зависимость расстояния между конусами потенциально плодородного слоя почвы (ППС), размещаемого на рекультивируемом отвале при сплошном землевании, от вместимости ковша погрузчика или кузова автосамосвала и мощности наносимого ППС.

3. Обоснован понижающий коэффициент при расчете производительности бульдозерного оборудования, занятого на горнотехнической рекультивации в условиях Севера.

Методы исследований: Общей теоретической и методологической основой работы является комплексный подход, включающий анализ и обобщение фундаментальных исследований авторов в области проектирования карьеров. В качестве основных методов исследований использовались геоинформатика и моделирование на персональных компьютерах; системный анализ при исследовании показателей работы карьеров; методы математической статистики, теории вероятностей, классические экономические и финансовые теории и методы рыночной модели хозяйствования.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается применением современных научных методов исследования, математического моделирования с использованием персональных компьютеров; обширным привлечением проектных и фактических материалов работы отечественных и зарубежных карьеров-аналогов; использованием информации о развитии рынков минерального сырья; внедрением результатов исследований в проектирование и планирование горных работ на карьерах.

Практическая значимость работы.

Разработана методика определения параметров отвалов на горнотехническом этапе рекультивации, с учетом выбранного направления восстановления нарушенных горными работами земель, горнотехнических особенностей открытой разработки рудных месторождений, обеспечивающих повышение эффективности и достоверности проектных решений.

Основные защищаемые положения:

1. Определение параметров отвалов должно проводиться по разработанной методике, с учетом требований к морфологии выбранного направления рекультивации, горнотехнических особенностей открытой разработки рудных крутопадающих месторождений, обеспечивающих повышение экономической эффективности и достоверности проектных решений.

2. Эффективность проектных решений на горнотехническом этапе рекультивации следует оценивать по разработанной методике, учитывающей различные виды затрат при реализации способов и последовательности проведения работ по восстановлению нарушенных горными работами земель, с учетом особенностей открытой разработки рудных крутопадающих месторождений и требований к морфологии установленного направления рекультивации.

3. При обосновании рационального комплекса оборудования для рекультивации отвалов в условиях Севера целесообразно принимать вид оборудования, используемый в период эксплуатации карьера, производительность которого следует определять по разработанной методике с учетом горно-геологических, климатических факторов, мощности ПСП и ППП, расстояния перемещения пород, обеспечивающей повышение эффективности и достоверности проектных решений.

Предполагаемое внедрение:

При проектировании и планировании горных работ на рудных карьерах, при проектировании открытой разработки месторождения «Олимпиадинское» и его аналогах, в учебном процессе при подготовке специалистов горного профиля в Национальном минерально-сырьевом университете «Горный».

Исследования выполнялись в рамках государственного контракта № 02.740.11.0695 «Создание геомеханически и экологически безопасных малоотходных способов разработки рудных месторождений открытым способом в сложных гидрогеологических условиях» (шифр заявки «2010-1.1-224-041-019») в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы, мероприятие 1.1 – V очередь «Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров в области экологически безопасных разработок месторождений и добычи полезных ископаемых».

Основные положения диссертационной работы в целом и отдельные ее положения докладывались, обсуждались и получили одобрение на конференции «Освоение минеральных ресурсов СЕВЕРА: проблемы и решения» (Воркута, 2011, 2012, 2013 гг.), международном форуме молодых ученых «Проблемы недропользования (Санкт-Петербург, 2012), на заседаниях кафедры Разработки месторождений полезных ископаемых Национального минерально-сырьевого университета «Горный». Получены решения о выдаче патента на изобретение от 19.07.2012 №2012130542/28(047965), от 17.07.2012 №2012131034/28(048892), от 10.08.2012 №2012134411/28(054971). Основные положения диссертационной работы опубликованы в 14 печатных работах, в том числе в 2-х журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России [2, 64, 79 – 89, 123, 140]. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 189 страниц, 31 таблицу, 50 рисунков и список литературы из 154 наименований.

1.2 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ГОРНОТЕХНИЧЕСКОЙ

РЕКУЛЬТИВАЦИИ РУДНЫХ КАРЬЕРОВ И ОТВАЛОВ

Разработка месторождений полезных ископаемых изменяет состояние геологической среды и интенсивно влияет на атмосферу, поверхностную гидросферу и биосферу [149].

Значительный вклад в развитие теоретических основ открытой разработки месторождений полезных ископаемых и рационального землепользования, методологии проектирования внесли ученые: М.И.Агошков, А.И. Арсентьев, Ю.И.

Анистратов, Ж.В. Бунин, С.Е. Гавришев, В.А. Галкин, А.В. Гальянов, Ф.Г. Грачев, В.Д. Горлов, С.А. Ильин, Ю.Е. Капутин, Ю.Г. Карасев, В.В. Квитка, В.С. Коваленко, В.Ф. Колесников, С.В. Корнилков, А.Н. Косолапов, Н.А. Мацко, Н.В.

Мельников, Н.Н. Мельников, В.В. Ржевский, С.П. Решетняк, И.И. Русский, О.Н.

Салманов, Я.Г. Семикобыла, В.И. Сметанин, П.И. Томаков, К.Н. Трубецкой, Ф.П.

Федорко, С.И. Фомин, Г.А. Холодняков, В.С. Хохряков, В.Г. Шитарев, Н.Н. Чаплыгин, Б.П. Юматов, В.Л. Яковлев и многие другие. Труды этих ученых служат научной основой для дальнейшего совершенствования методологии проектирования открытой разработки месторождений.

Теоретические основы открытой разработки месторождений полезных ископаемых и рационального землепользования рассмотрены в трудах [6, 97, 98, 102, 111, 140].

Строительство карьеров, отвалов, хвосто и шламохранилищ приводит прежде всего к преобразованию рельефа местности. При этом меняется напряженное состояние горных пород, оседает земная поверхность. При выемке сотен миллионов тонн горных пород и создании карьерной выемки нарушаются все сложившиеся формы и виды равновесия в массиве горных пород; обнажение глубинных слоев нарушает исходные температурный и гидрогеологический режимы массива. В связи с изменением напряженного состояния, возрастанием градиентов фильтрации подземных вод и изменением их химического состава, а также интенсификацией выветривания меняются физико-химические и прочностные свойства горных пород [149]. Классификация негативных воздействий горнодобывающих предприятий на окружающую среду при открытой разработке месторождений представлена в таблице 1.1 [17, 115].

Таблица 1.1 - Классификация негативных воздействий горнодобывающих предприятий на окружающую среду при открытой разработке месторождений Ландшафт Усиление контрастности рельефа; овраго- и оползнеобразование;

смещение пород на склонах; понижение поверхности в прикарьерном пространстве Литосфера Оползни, оплывание, эрозия склонов и основания выработки, интенсификация карста, просадка лессовых пород; истощение плодородного слоя; изменение микрорельефа; выветривание и обрушивание склонов Гидросфера Нарушение режима и загрязнение подземных вод и малых рек;

оседание и провалы поверхности из-за суффозии; заболачивание почвогрунтов; подтопление территории и угнетение растительности.

Атмосфера Загрязнение воздуха карьерной пылью; возникновение застойных аэродинамических зон; изменение состава воздуха в ареале глубоких карьеров.

В условиях интенсивного развития горнодобывающей промышленности возникают задачи сохранения земельного фонда и предотвращения нарушений сложившегося за многие тысячи лет природного комплекса. Рекультивация (восстановление) территорий, нарушенных горными работами, позволяет восполнить земельные ресурсы, выбывающие из хозяйственного оборота, и улучшить санитарно-гигиенические условия жизни и деятельности человека в горнопромышленных районах [61].

Зона распространения большинства видов экологических нарушений существенно зависит от масштабов ландшафтных нарушений, поэтому уменьшение пплощади нарушенных земель и темпов их нарушения, своевременное и качественное их восстановление будет способствовать уменьшению техногенного воздействия горных предприятий на окружающую среду [4].

Процессы естественного восстановления растительных покровов, почв и рельефов нарушенных земель протекают медленно или вообще не могут быть эффективными и действенными, так как нарушения земной поверхности, как правило, не исчезают, а становятся устойчивыми техногенными формированиями [10, 19, 75].

Структура нарушаемых земель при разработках рудных месторождений представлена на рисунке 1.1.

Под внешними отвалами Рисунок 1.1 - Структура нарушаемых земель при разработках рудных Основным способом восстановления природных систем является рекультивация нарушенных земель. Это система технологических и биологических мероприятий, позволяющая сформировать на месте нарушенных земель участок территории с заданными параметрами почвенно-экологической и хозяйственной эффективности.

Термин "рекультивация" достаточно широко употребляют в зарубежной и отечественной практике для обозначения многообразия работ, направленных на воспроизводство разрушенных промышленностью ландшафтов и их окультуривание, на восстановление нарушенных закономерностей и экологических условий функционирования природного комплекса. Термин "рекультивация" получил распространение главным образом с развитием открытого способа разработки полезных ископаемых [38].

При этом рекультивацию нельзя рассматривать только как обновление, сохранение или увеличение земельного фонда. В результате горных разработок, особенно при открытом способе, нарушается сложившийся веками природный комплекс в целом. Поэтому рекультивационные работы должны осуществляться в рамках общего территориального планирования и воспроизводства природных ресурсов, предусматривающих гармоничное восстановление всех элементов ландшафта с учетом хозяйственных, природных, культурных, санитарногигиенических и других требований общества.

Работы по рекультивации земель вначале носили прикладной характер (например, озеленение или приведение в порядок загрязнённого участка). Интенсивные работы по рекультивации земель в странах бывшего СССР начались в 60-х годах прошлого века. Первые из них были выполнены в Украине и в Подмосковном буроугольном бассейне. Затем рекультивацию начали проводить в Грузии, Эстонии, на Урале, в Кузбассе и других промышленных регионах [73].

Первоначально рекультивация развивалась, как составная часть мелиорации земель и была направлена на восстановление продуктивности нарушенных земель в результате открытого и отчасти подземного способа добычи полезных ископаемых [74]. Однако значительное увеличение площадей, нарушенных промышленностью, и размер ущерба, наносимого природным и хозяйственным ландшафтам, потребовали более кардинальных мер для решения этого вопроса.

Первым документом методического характера по рекультивации земель, выпушенным в 1973 г., были «Временные указания по рекультивации земель, нарушенных горными работами предприятий МЧМ СССР». Позднее, в 1985 году, Минчерметом СССР были выпущены «Методические указания по разработке проектов рекультивации нарушенных земель, снятию и использованию плодородного слоя почвы на горнорудных предприятиях Минчермета СССР».

Наиболее обстоятельные работы по рекультивации методического характера были выполнены для предприятий угольной промышленности [50, 68, 69, 78, 116]. В них подробно рассмотрены не только основные вопросы рекультивации земель при открытых и подземных разработках [17], но и даны типовые технологические схемы её выполнения с расчётом производительности и определения параметров работы основного оборудования [148]. Условия разработки угольных месторождений позволили разделить типовые технологические схемы рекультивации на раздельные, совмещённые с горными работами и комбинированные.

Совмещенные схемы входят составной частью в основной технологический процесс добычи. Работы по рекультивации выполняются тем же комплексом горного и транспортного оборудования, которое используется на выемке и перевозке горной массы. Применение совмещенных схем целесообразно на малых карьерах, где используется оборудование небольшой единичной мощности.

При раздельных схемах рекультивационные работы осуществляются специальным оборудованием, независимо от вскрышных работ, по самостоятельному технологическому циклу. Раздельные схемы применяются в случаях невозможности или нецелесообразности использования совмещенных схем в основном на крупных разрезах, когда технологии рекультивации и отвалообразования принципиально отличаются как по оборудованию, так и по организации производства.

При комбинированных схемах часть работ выполняется по совмещенной схеме, а часть - по раздельной схеме рекультивации. Это наиболее распространенные схемы, позволяющие эффективно использовать различные способы и средства производства рекультивации и вскрышных работ.

Во ВНИМИ в 1993 г. были разработаны «Методические указания по комплексной эколого-экономической оценке ущербов от нарушения геосреды в зонах действия угольных разрезов КАТЭКа, подверженных проявлению негативных геомеханических процессов» по договору с компанией «Красноярскуголь». В 1995 г. по договору с государственной компанией «Росуголь» разработаны «Методические положения по комплексной эколого- экономической оценке ущербов от нарушения геосреды поверхности территорий, предназначенных для добычи полезных ископаемых» на основе Законов РФ «О недрах», «Об охране окружающей природной среды» и «О плате за землю». Эти методики дают расчетную базу и рекомендуются к использованию для определения эколого-экономической оценки ущерба [146].

В связи с изменением экономического базиса в стране многие нормативноправовые и нормативно-методические документы по охране и рациональному использованию земель, изданные до 90-х годов прошлого столетия, подверглись пересмотру применительно к рыночным условиям хозяйствования. В частности, в 1995 г. были утверждены переработанные «Основные положения о рекультивации земель, снятии, сохранении и рациональном использовании плодородного слоя почвы» [30].

В 2000 г. Госстроем России выпущено Пособие к СНиП 11-01-95 по разработке раздела проектной документации «Охрана окружающей среды» [112], которое Управлением государственной экологической экспертизы Госкомэкологии предложено использовать в практической деятельности при проведении государственной экологической экспертизы проектной документации. В новом документе «Пособие к СниП…», в отличие от изданного в 1987 году, оценка экономической эффективности природоохранных мероприятий и предотвращенного экономического ущерба отсутствует. Однако, такая оценка должна учитываться в инвестиционном процесса освоения месторождений.

Рекультивация земель на настоящем этапе рассматривается как комплексная проблема восстановления продуктивности, реконструкции и создания новых культурных ландшафтов, ранее нарушенных промышленностью [142].

При выполнении работ по рекультивации земель, нарушенных эксплуатацией месторождений полезных ископаемых, приходится сталкиваться с вопросами законодательного, природоохранного, нормативного, методического, технологического и экономического характера при размещении объектов добычи в районах, различающихся природно-климатическими условиями. Это вызывает определённые трудности при выполнении проектов рекультивации земель, нарушенных горными работами [142].

Согласно требованиям Закона Российской Федерации "О недрах", природоохранного и земельного законодательства участки земли и другие природные объекты, нарушенные горными разработками, должны быть приведены в состояние, пригодное для их дальнейшего использования. Согласно положениям Законов "О недрах", "Об охране окружающей природной среды", "О плате за землю", горному предприятию выделяется земельный отвод, на площади которого располагаются сооружения поверхностно-эксплуатационного комплекса (обогатительные фабрики, промышленные, энергосиловые, транспортные коммуникации, склады полезного ископаемого, действующие и отрекультивированные, не сданные землепользователям, законсервированные внешние отвалы вскрышных пород, базисные склады взрывчатых веществ) [58].

Статья 13 Земельного кодекса РФ обязывает собственников земли, землевладельцев, землепользователей и арендаторов осуществлять рекультивацию нарушенных земель, восстанавливать их плодородие. Порядок проведения работ по рекультивации земель определен в постановлении Правительства РФ от 23 февраля 1994 г. N 140 «О рекультивации земель, снятии, сохранении и рациональном использовании плодородного слоя почвы».

Действуют также основные положения о рекультивации земель, снятии, сохранении и рациональном использовании плодородного слоя почвы, утвержденные приказом Минприроды России и Роскомзема от 22 декабря 1995 г. N 525/67.

Нормы снятия плодородного слоя почвы, потенциально плодородных слоев и пород (лесс, лессовидные и покровные суглинки и др.) устанавливаются при проектировании в зависимости от уровня плодородия нарушаемых почв с учетом заявок и соответствующих гарантий со стороны потребителей на использование потенциально плодородных слоев и пород.

В ряде работ и нормативных документов [24, 25, 37, 42, 43, 44, 48, 125] описаны нормы снятия плодородного слоя почвы, потенциально плодородных слоев и пород в зависимости от мощности снимаемого слоя и в увязке с технологическими параметрами выемочных механизмов.

За порчу и уничтожение плодородного слоя почвы, невыполнение или некачественное выполнение обязательств по рекультивации нарушенных земель, несоблюдение установленных экологических и других стандартов, правил и норм при проведении работ, связанных с нарушением почвенного покрова, юридические, должностные и физические лица несут административную и другую ответственность, установленную действующим законодательством.

В Государственном Стандарте РФ «Охрана природы» [26] отдельная глава посвящена требованиям к рекультивации земель, нарушенных при открытых горных работах. Требования данного стандарта применяются при планировании, проектировании и производстве работ, связанных с нарушением земель и их рекультивацией.

В нормативных документах [23, 25, 28, 29, 30, 31, 34, 115, 117, 120, 121] изложены основные положения о рекультивации земель, снятии, сохранении и рациональном использовании плодородного слоя почвы, которые определяют общие для Российской Федерации требования при проведении работ, связанных с нарушением почвенного покрова, и рекультивацией земель, и являются обязательными для исполнения всеми юридическими, должностными и физическими лицами, в том числе иностранными юридическими и физическими лицами. Они устанавливают все направления рекультивации и оговаривают, что рекультивация для сельскохозяйственных, лесохозяйственных и других целей, требующих восстановления плодородия почв, осуществляется последовательно в два этапа: технический и биологический.

Направление рекультивации и последующее использование земель зависит от климатических, геологических, гидрогеологических и производственно - экономических условий, санитарно-гигиенического состояния населенных пунктов, расположенных вблизи нарушенных земель, наличия потенциально плодородных пород и плодородного слоя почвы, пород устройства экранов, мелиорантов для нейтрализации токсичных химических веществ и снижения кислотности, территориального расположения рекультивируемого участка по отношению к населенным пунктам [94].

Сроки проведения технического этапа рекультивации определяются органами, предоставившими землю и давшими разрешение на проведение работ, связанных с нарушением почвенного покрова, на основе соответствующих проектных материалов и календарных планов.

Биологический этап в свою очередь должен включать комплекс агротехнических и фитомелиоративных мероприятий, направленных на улучшение агрофизических, агрохимических, биохимических и других свойств почвы.

Разработка проектов рекультивации осуществляется на основе действующих экологических, санитарно-гигиенических, строительных, водохозяйственных, лесохозяйственных и других нормативов и стандартов с учетом региональных природно-климатических условий и месторасположения нарушенного участка [120]. Схема рекультивации нарушенных земель при внешнем бульдозерном отвалообразовании представлена на рисунке 1.2.

вы с нарушаемых земель Погрузка и транспортирование Нанесение потенциально Рекультивация временных складов, в случае, если срок их хранения свыше 2-х лет Погрузка и транспортирование плодородного слоя почвы на Рисунок 1.2 - Схема рекультивации нарушенных земель при внешнем При разработке месторождений открытым способом необходимо стремиться к рациональному землепользованию. Рациональное землепользование при ведении горных работ предусматривает уменьшение объема выработанного и подработанного пространства и сокращение площадей, отводимых для внешних отвалов, путем их оптимизации.

Эффективность использования земель в большинстве отраслей промышленности оценивается объемом созданной продукции, приходящейся на единицу площади занятых земель. В горных отраслях промышленности пользуются показателем удельной землеемкости (показателем расхода земель), исчисляемым отношением площади, занятой горным предприятием, к количеству добытого полезного ископаемого [4].

Одним из показателей эффективности использования земель является удельная землеемкость Р, м2/м3, (м2/т), равная отношению площади, занятой горным предприятием S, к количеству добытого полезного ископаемого Q Показатель удельной землеемкости не отражает степени использования земельного отвода предприятия и состояния рекультивационных работ. Для более полной оценки использования земель применяют другие показатели, которые дополняют показатель удельной землеемкости.

Степень использования земельного отвода характеризуется коэффициентом использования земельных участков где Рф и Рп - соответственно фактическая и проектная землеемкость предприятия в данный период.

П. И. Томаков, В.С. Коваленко в исследованиях [135, 136, 137] рассотрели аспекты оценки использования земель при открытых горных работах по добыче угля, за основной показатель которой принята землеемкость горных работ. Рассмотрены виды, размеры, динамика, режим нарушения земель при производстве горных работ, методик технико-экономического обоснования данного режима, состояние нарушенных земель при открытых горных работах на территории Кузбасса, КАТЭКа, Казахстана, Восточной Сибири, Украины. Приведены технологии рекультивации рационального использования земель с позиций рационального формирования рельефа поверхности внутренних отвалов, повышения степени использования выработанного пространства для внутреннего отвалообразования, выбора параметров схем рекультивации для формирования внешних отвалов, сохранения и использования почвы.

Восстановление ранее продуктивных нарушенных земель учитывается коэффициентом восстановления (рекультивации) земель (отношение площади восстановленной земли за определенный промежуток времени к площади нарушенной земли за тот же промежуток), который изменяется существенно и достигает максимума на этапе закрытия разработки месторождения. В период строительства горного предприятия и в начальные годы разработки месторождения он имеет малую величину и стремиться к нулю, так как восстановление земель в данный период почти не производится. В основной период разработки он редко может достигать единицы, в период погашения и закрытия горных работ он должен значительно превышать единицу. Однако этого не наблюдается на практике [4].

Сроки изъятия и восстановления земель напрямую влияют на эффективность разработки месторождений. Обоснование оптимального варианта технологической схемы рекультивации следует производить с использованием критерия минимума приведенных затрат [4]. Поскольку технико-экономические показатели рекультивации нарушенных участков зависят от множества факторов, выбор рациональной технологии рекультивационных работ необходимо производить применительно к местным условиям с учетом требований нормативных документов на приведение земель в состояние, пригодное для использования.

Выбор комплекта машин и механизмов при заданном виде целевого освоения земель должен заключаться в подборе таких технических средств, которые, сочетаясь друг с другом, при выполнении отдельных процессов рекультивации обеспечивали бы в конкретных условиях наилучшие технико-экономические показатели всего комплекса рекультивационных мероприятий [139]. Горнодобывающим предприятиям экономически целесообразно проводить рекультивацию с использованием механизмов уже имеющихся в распоряжении предприятия.

Технология отвальных работ представляет собой комплекс инженерных мероприятий, обеспечивающих рациональное формирование техногенного массива (насыпного, намывного), согласованный с последующим восстановлением нарушенных земель [63].

При транспортном перемещении вскрышных пород образуются плоские отвалы различной конфигурации. Поверхность отвалов, как правило, сильно уплотнена от прикатывающего действия большегрузных автомобилей и бульдозеров.

Критерием ограничения высоты отвалов являются их устойчивость и технические возможности транспортных средств [64].

Основным документом, регламентирующим процесс строительства отвалов, является «Проект техногенного массива» (отвала, хранилища, шламохранилища и т.п.), на основе которого составляется проект рекультивации отвала.

В работах исследователей [49], а так же в нормативных документах [30, 33] подчеркивается, что если при комплексном освоении месторождений невозможно непосредственное использование попутных полезных ископаемых, то их следует складировать в отдельных отвалах с учетом последующей переработки, рекультивируя эти отвалы в природоохранных целях, не претендуя на народно-хозяйственное использование таких территорий. Рекультивация этих отвалов должна осуществляться с минимальными объемами работ.

В проектах рекультивации породных отвалов возможен следующий ряд вариантов формирования рекультивационного слоя (рисунок 1.3) [142].

К основным параметрам внешних отвалов относятся высота (H) отвала (яруса), длина (L) отвала, ширина (В) отвала, число n ярусов, устойчивый угол откоса и занимаемая отвалами площадь (S). С увеличением объема складируемых пород площадь занимаемая откосами, возрастает и составляет около 30 % общей площади. При угле откоса отвала, меньшем угла естественного откоса пород, уменьшается емкость отвала в приконтурной его части [125].

Исследования показали [38, 126], что при постоянном (заданном) объеме внешнего отвала, расположенного в конкретном физико-географическом и экономическом районе, его линейные параметры зависят от следующих факторов: физико-механические свойства складируемых пород; общей отвальной площади земельного отвода; необходимой величины рабочей зоны отвала; общего числа ярусов отвала; объема работ, связанных с рекультивацией отвальных площадей; применяемого горнотранспортного оборудования; направления рекультивации.

Установлено [125], что основными показателями, характеризующими трудоемкость процесса отвалообразования, являются высота отвала, его линейные размеры в плане и физико-механические свойства складируемых пород. С увеличением высоты отвала резко возрастают эксплуатационные затраты и ограничивается выбор направления рекультивации.

Рисунок 1.3 - Варианты формирования поверхности отвала при рекультивации 1 – плодородный слой;

2 – потенциально плодородные породы;

3 – бесплодные, но нетоксичные породы;

4 – вскрышные нетоксичные породы;

5 – экранирующий слой;

6 – вскрышные токсичные породы Ю. П. Спичак и др. [132] полагает, что разрабатываемые горные породы следует использовать максимально возможно, поэтому отвалы (склады) пород должны формироваться как техногенные месторождения для вторичной разработки. Такие отвалы должны занимать минимальные площади в земельном отводе.

Комплексная концепция добычи полезных ископаемых увеличивает прибыльность от разработки месторождения, снижает капитальные затраты на строительство карьера, ведет к сохранению и повышению качества окружающей среды в горно промышленном районе.

Располагать отвалы необходимо с соблюдением соответствующих санитарных норм и правил, с учетом рельефа местности и господствующих направлений ветров, течения рек и водостоков, расположения населенных пунктов и предприятий, с соблюдением установленных для этих объектов санитарно-защитных зон [120]. Отвалы горных пород и отходов обогащения размещают, как правило, на землях, не пригодных для сельскохозяйственного использования или не занятыми лесами первой группы, за пределами площадки предприятия. Так же при выборе места формирования отвалов существует необходимость учитывать перспективы природного и хозяйственного развития района.

Высоту отвалов и углы откосов устанавливают в каждом конкретном случае с учетом устойчивости слагающих пород и характера использования их поверхности. Рельеф и форма рекультивированных участков должны обеспечивать их эффективное хозяйственное использование.

Существует необходимость учитывать климатические особенности местности, особенно при формировании высоких многоярусных отвалов [60].

Формировать отвалы на больших площадях предпочтительно таким образом, чтобы они в минимальные сроки достигли конечной высоты с дальнейшим одновременным развитием всех отвальных ярусов.

Автор [130] отмечает, что оптимальная форма отвала с топографической точки зрения формирования ландшафта требует значительно большей площади для его размещения. Откосы отвалов в условиях пересеченной местности должны быть пологими, а основание их выполняют слегка округленным, плавно переходящим в естественный рельеф местности. Однако при равной площади земельных участков в таких отвалах размещаются меньший объем складируемого материала, чем в отвалах с крутыми склонами.

До начала формирования отвалов необходимо изучить свойства вскрышных пород по пригодности к биологической рекультивации и на их основании производить отсыпку отвала. Потребность в отводе земель под горные выработки существует до момента достижения верхними бровками рабочих бортов карьера своего конечного контура. При внешнем отвалообразовании ежегодная потребность в отводе земель в основном зависит от объемов вскрышных пород, параметров и схем развития отвала. Минимальные темпы нарушения земель достигаются при одновременной отсыпке всех отвальных ярусов, а максимальные - в периоды отсыпки первого яруса.

В случае, если позволяют горно-геологические условия, следует отдавать предпочтение системам разработки с размещением вскрыши в выработанном пространстве проектируемых или отработанных карьеров. Техническую рекультивацию свежеотсыпанных отвалов следует производить через 2-3 года после окончания их формирования с целью достижения достаточно полной усадки отвалов [60].

При разработке горизонтальных и полого падающих залежей, рабочая зона карьера развивается в горизонтальном направлении и работы ведутся без углубки карьера. Такая система разработки позволяет применять технологии с использованием внутреннего отвалообразования, что является важным фактором для снижения землеемкости.

На примерах разработки пологопадающих угольных залежей, разработаны и широко применяются технологии использования внутреннего отвалообразования [18, 38, 49, 125, 150]. В основе этих технологий лежит поперечное расположение фронта горных пород, перемещающегося по простиранию залежи с поэтапным их углублением и укладкой пород во внутренний отвал. Рекультивация земель производится вслед за их нарушением. Блоковый способ разработки позволяет после создания первоочередной карьерной выемки избежать необходимости формирования внешних отвалов, уменьшает землеемкость в несколько раз. При использовании технологии с поэтапной отработкой карьера и внутренним отвалообразованием площадь рабочей зоны уменьшается в 10 - 15 раз по сравнению с продольной системой разработки, снижает отрицательное воздействие производства на водный и воздушный бассейн.

Таким образом, при разработке горизонтальных и слабонаклонных угольных месторождений, при бестранспортных системах разработки с непосредственной перевалкой пород в выработанное пространство, создаются благоприятные условия для планомерного изъятия земель под карьерные поля и их последующей равномерной горнотехнической рекультивации для использования в народном хозяйстве в период эксплуатации разреза. Создание рационального режима изъятия и рекультивации земель возможно путем сокращения площадей внешних отвалов в строительный период и площадей, занимаемых выработанным пространством в период затухания горных работ, а также уменьшением промежутка времени между окончанием отработки разреза и рекультивацией.

При современной технологии открытых горных работ, с увеличением глубины разработки, даже для горизонтальных, наклонных и пологопадаюших месторождений возрастают площади нарушенных земель, которые не могут быть рекультивированы для использования по первоначальному назначению и полностью выбывают из агрооборота территории [67, 131].

При разработке крутопадающих месторождений внутреннее отвалообразование, зачастую, невозможно. При внешнем отвалообразовании ежегодная потребность в отводе земель в основном зависит от объемов вскрышных пород, параметров и схем развития отвала. При этом рекультивация не может производиться по мере отсыпки отвала и осуществляется по достижению максимальных проектных параметров отвала.

В целях сокращения горно-планировачных работ и соответственно затрат на рекультивацию принимаемая схема отвалообразования должна обеспечивать формирование отвалов с учетом выбранного (рекомендованного) направления рекультивации земель уже в процессе отсыпки отвала [60].

Формирование отвала в соответствии с требованиями последующей рекультивации наиболее эффективно при селективном складировании вскрышных пород по принятой схеме отвалообразования. По агрохимическим показателям наиболее перспективны для выращивания растений четвертичные отложения, залегающие на верхних горизонтах карьеров. Поверхности отвалов, сложенные из пригодных для нормального роста растений пород, осваиваются уже в первые годы. Выбор экономически выгодной схемы формирования многоярусных отвалов должен осуществляться путем сравнения затрат на строительство, отсыпку и рекультивацию отвалов по конкурирующим схемам с учетом эффекта от возвращаемых в народное хозяйство земель [10].

Выполаживание откосов как отвалов так и карьерных выемок - весьма трудоемкий и дорогостоящий процесс. Интенсивные поиски способов, позволяющих проводить указанные работы с высокой эффективностью, не дали положительных результатов ни в России, ни за рубежом.

Как показал опыт биологического освоения откосов отвалов, благоприятный рост растительности на откосах происходит при углах наклона не более 28° [104].

Работы по выполаживанию и террасированию отвалов целесообразно проводить уже в процессе отвалообразования [4]. После завершения укладки пород в первый ярус следует сразу произвести выполаживание откосов до углов, принятых в проекте рекультивации. Укладка пород во второй и каждый последующий ярусы должна производиться с учетом ширины террасы на каждом ярусе.

В работе [3] отмечается: выполаживание крутых откосов в ряде случаев производить нецелесообразно т.к. внешние транспортные отвалы обычно расположены в окружении ненарушенных, биологически продуктивных земель, потому выполаживание откосов "сверху-вниз" приведет к увеличению площади отвала, в этом случае под горными породами погребаются естественные ландшафтные образования, которые биологически более продуктивны, чем техногенные.

В настоящее время на рудных карьерах наиболее распространены высокие внешние отвалы, которые, как правило, отсыпаются последовательно по всей площади проектного контура. При такой технологии рекультивация отвалов в большинстве случаев возможна после завершения всех работ и стабилизации осадок отвала, соответственно ухудшаются санитарно-гигиенические условия района за счет ветровой и водной эрозии поверхности отвалов.

Формирование многоярусных отвалов с учетом террасирования склонов рассматривается в работе Сметанина В. И. [130]. Отвалы, формируемые в виде террасируемой горы, при большой высоте и размещении их на ровной местности плохо вписываются в ландшафт, даже будучи покрытыми растительностью.

В исследовании [130] предлагается одна из технологических схем формирования отвала позволяющая проводить рекультивацию непосредственно при отсыпке отвала заключается в формирования отвала от границ отведенного под них участка к его центру. Представленная схема позволяет осуществлять биологическую рекультивацию в процессе его формирования, а также обеспечивает совместное складирование твердых и жидких отходов.

Сотрудниками уральского научно-исследовательского и проектного института медной промышленности "Унипромедь" был разработан способ [13] формирования и рекультивации отвалов, включающий размещение в отвале емкостей под углом естественного откоса пород, отсыпку на них пород, заряжание емкостей взрывчатым веществом и взрывание его. После взрывания зарядов ВВ, размещенных в трубах, последние отсекаются по проектной линии откоса отвала и после завершения процесса рекультивации продолжают служить в качестве дренажных. Данная схема формирования и рекультивации отвалов позволяет повысить эффективность и безопасность отвалообразования из-за направленного взрывания зарядов ВВ и обеспечения дренажа.

Для планировки отвалов при их рекультивации находят применение разнообразные землеройные машины и оборудование: экскаваторы, бульдозеры, погрузчики, скреперы, автогрейдеры, грейдеры и др. Выбор механизмов зависит от объемов планировочных работ, рельефа нарушенной поверхности, направления рекультивации, физико-механических свойств пород, способа организации и последовательности ведения планировочных работ, а также ряда горнотехнических, гидрологических и климатических факторов. На планировочных работах в основном используют бульдозеры [22, 39, 76].

В настоящее время одним из основных мероприятий по восстановлению и использованию нарушенных земель является облесение, наиболее удобное и дешевое мероприятия восстановления [11]. Практика показывает, что лиственные и хвойные породы деревьев хорошо приживаются и растут на отвалах, на поверхности которых размещены различные горные породы. Установлено, что лесные породы лучше развиваются на суглинках и глинах, чем на песках. Лесотехническая рекультивация доминирует в большинстве стран.

Применяются схемы выполаживания откоса отвала, находящегося в эксплуатации, способом сверху вниз и способом снизу вверх [38].

Достоинствами первого способа перемещения пород (сверху вниз) является простота технологии, значительно меньший объем (в 4 раза) перемещаемых пород. Недостатком способа является дополнительно отчуждаемая приконтурная к отвалу земельная площадь.

В исследованиях [38, 54, 55, 57, 63, 125] выделяется необходимость рационального формирования отвалов. В частности в работах [122, 124, 141] описываются технологические схемы по формированию приконтурной части отвала из потенциально плодородных пород в период формирования отвалов. В работах [22, 125] отмечается, что форма отвалов должна обеспечивать их хозяйственное освоение, и делают акцент на том, что необходимо создавать концентрированные, крупно-площадные отвалы правильной формы со спокойным рельефом, будущее освоение которых даст большие площади земель, пригодных для сельскохозяйственного и лесохозяйственного использования.

В работе [22] отмечается нецелесообразность пространственного расчленения отвалов, т.е. допускать образование различных по форме и емкости разобщенных отвалов, сложенных различными породами, которое приводит к невозможности их хозяйственного использования или к значительным затратам при их рекультивации. Отсыпку отвалов целесообразно совмещать с их озеленением [136].

В.Д. Горлов [21, 22] выделяет, что внутреннее отвалообразование возможно при разработке не только горизонтальных и пологих, но и наклонных и крутопадающих месторождений при значительной длине карьерного поля. Поле разрабатывается в два этапа: вначале форсировано на полную глубину карьера разрабатывается часть поля с более низким коэффициентом вскрыши и транспортированием пород во внешние отвалы. После подготовки выработанного пространства для развития внутреннего отвалообразования вскрышные породы транспортируются в выработанное пространство [137].

Размещение пород в контурах карьера позволяет резко уменьшить затраты на компенсацию за землю и рекультивацию, а так же снизить потери продуктов земледелия в связи с сохранением земель в хозяйственном использовании. Работы по выполаживанию и террасированию необходимо проводить в процессе отвалообразования. После завершения укладки вскрышных пород в первый ярус необходимо сразу же произвести выполаживание откоса до значения угла, принятого в проекте рекультивации [22].

Рекультивация проводится после стабилизации отвалов. Наиболее полно осадочные явления отвалов рассмотрены в работах [109, 110] в зависимости от их высоты и величины осадки.

Методической основой формирования оптимальной ландшафтноэкологической системы при производстве горных работ должна служить теория сравнительной оценки. В теоретическом и практическом плане вопрос оптимизации горнопромышленных ландшафтов может быть рассмотрен, исходя из биологической, народнохозяйственной и социально-экономической эффективности рекультивации земель [22].

Выработанное пространство открытых работ характеризуется занимаемой площадью, глубиной, устойчивостью бортов, обводнённостью и другими горнотехническими, геологическими и гидрогеологическими особенностями.

В зависимости от горно-геологических условий карьерные выемки могут использоваться под сельскохозяйственные угодья, лесонасаждения, водоемы многоцелевого использования, зоны отдыха и спорта, природоохранного значения, площадки для промышленного и гражданского строительства, других целей. В соответствии с ГОСТом 17.5.1.02-85 [23] возможное использование остаточной карьерной выемки определяется с учетом качественных характеристик нарушенных земель по техногенному рельефу, пригодности горных пород для биологической рекультивации, степени обводненности, а также географичеких и экономических условий зоны размещения, технико-экономических и социальных факторов.

Как показывает опыт разработки большинства рудных карьеров, проведение полного комплекса рекультивационных мероприятий в период эксплуатации месторождения невозможно. Окончательная рекультивация выработанного пространства производится после отработки месторождения. В тоже время целесообразно проведение рекультивационных работ непосредственно на этапе отработки месторождения на нарушенных землях и уже неиспользуемых землях.

В работе [4] отмечается, что в выработанном пространстве карьеров целесообразно создавать искусственные водоемы различного назначения.

Борта карьера в предельном положении представляют собой долговременное сооружение, к качеству которого предъявляются такие же требования, как к сдаваемому в эксплуатацию объекту.

Наименее затратным и быстрым способом рекультивации карьерной выемки является санитарно-гигиеническое направление. При этом способе зачищаются бермы, проводятся противоэрозионные мероприятия, наносится почвенный слой на бермы, проводится уборка зависей и заколов, борта карьера устанавливают в безопасное положение.

В случае, если при выбранном направлении рекультивации карьерная выемка не выполаживается и (или) не террасируется, то при достижении текущим контуром граничного контура карьера необходимы мероприятия по сохранению устойчивости бортов карьера. Одним из направлений мероприятий по сохранению устойчивости бортов является уменьшение влияния взрывных работ при подходе к предельному контуру карьера. Наиболее эффективным способом уменьшения деформаций массива от взрыва является применение комплекса мероприятий по заоткоске бортов уступов [118].

В горном деле накоплен значительный опыт по взрыванию на выброс, что позволяет реализовать предложенный способ для рекультивации. Выполаживание бортов карьера может быть достигнуто при параметрах буровзрывных работ, позволяющих сократить объемы работ и затрат на проведение горнотехнического этапа рекультивации, способы выполаживания откосов отвала направленным взрывом представлены в работах [12, 110, 127].

Выработанное пространство отработанных карьеров при отсутствии или недостаточности вскрышных пород иногда закладывается вскрышными породами с действующих карьеров и промышленными отходами до уровня дневной поверхности, и рекультивированная площадь может быть использована для создания сельскохозяйственных и лесных угодий [104].

Отработанные карьеры нередко используются в качестве несанкционированных свалок. Рекультивационным материалом карьерных выработок могут служить отходы производства и потребления [130, 145, 146]. Более 90% образующихся отходов составляют нетоксичные отходы перерабатывающей и добывающей промышленности, а также промышленные отходы, относящиеся к III и IV классам опасности.

Отмечается [150], что практически не имеется положительного опыта эффективной рекультивации глубоких карьеров (глубиной более 100 м). В настоящее время актуальной задачей является поиск эффективного решения рекультивации глубоких карьеров, особенно при отработке крутопадающих месторождений.

Полное заполнение выработанного пространства глубокого карьера вскрышными породами, складированными ранее во внешних отвалах, является экономически не целесообразным и весьма трудоемким мероприятием. Данное мероприятие является целесообразным и эффективным только в случае последовательной открытой разработке близко расположенных участков месторождения полезных ископаемых. Таким образом, существует возможность заполнить сформированное ранее карьерное пространство вмещающими породами из действующего карьера.

Проблемным остается вопрос о рациональном использовании пространств отработанных карьеров, особенно сложенных скальными породами. На примере Кадыковского карьера БРУ по добыче флюсовых известняков предлагается проведение рекультивационных работ путем создания в отработанном пространстве туристическо-оздоровительной зоны «Феодора» [147]. Предлагается размещение различных объектов, соответствующих профилю ведения хозяйственной деятельности района, по климатическим зонам, с учетом особенностей микроклимата карьера [100].

Рудные месторождения золота и алмазов на территории РФ, разрабатываемые открытым способом, как правило, сложены скальными и полускальными слабообводненными вмещающими породами, что требует применения буровзрывного способа подготовки горной массы к выемке.

Поскольку вмещающие породы месторождений рудного золота и алмазов скальные и полускальные, то поверхность нарушенных земель (бортов карьера, отвалов) будет представлена непригодными для биологической рекультивации породами, к которым также следует относить бедные и забалансовые руды, складированные в отвалы. Для создания рекультивационного слоя на таких породах требуются значительные объемы пригодных для этого пород.

Пригодные для биологической рекультивации породы на золоторудных месторождениях представлены почвенным слоем и в некоторых случаях подстилающими наносами, а также шламами и хвостами хвостохранилищ, если в них не содержатся вредные химические элементы.

По геологическому строению рудных тел только минерализованные жильные зоны протяженностью более 1 км при открытой разработке могут создавать условия для внутреннего размещения отвалов вскрыши [119]. Следовательно, возможность использования отработанного пространства для размещения отвалов вскрыши при разработке золоторудных месторождений весьма ограничена. В основном, как показывает опыт, эти отвалы размещают вне выработанного пространства, используя транспортные средства для доставки пород.

Районы размещения золоторудных месторождений характеризуются отсутствием земель сельскохозяйственного назначения, за исключением отдельных случаев в Забайкалье, Хакасии и на Урале. Это объясняется не только суровым климатом и неблагоприятными условиями для размещения сельскохозяйственного производства (высокогорье, болота, тайга, вечная мерзлота), но и отсутствием в достаточном количестве пригодных пород для создания рекультивационного корнеобитаемого слоя на восстанавливаемых землях.

Горнодобывающие предприятия в результате увеличения рыночных цен на минеральное сырье зачастую возобновляют свою работу на забалансовых и бедных рудах, оставленных в недрах и складированных в отвалы, а также на вновь разведанных промышленных запасах ранее разрабатываемых месторождений [9].

Имеются случаи открытой повторной разработки месторождений за счет запасов, оставленных на верхних горизонтах при подземной их разработке. Этот процесс прекращения и последующего продолжения работы на горнодобывающих предприятиях может длиться десятки лет. В таком случае, учитывая указанные условия разработки и наличие пригодных пород, целесообразно рекультивировать нарушенные земли лишь в природоохранном, санитарно-гигиеническом направлении, не требующем больших затрат.

В работах [35, 70, 96, 99, 133] рассмотрены технологии формирования отвалов кучного выщелачивания и рекомендации по их рекультивации.

Вопросы рекультивации нарушенных земель при разработке россыпных месторождений полезных ископаемых рассмотрены в трудах [14, 51, 53, 65, 103, 143].

Наиболее заметные достижения в области рекультивации нарушенных земель в РФ и странах ближнего и дальнего зарубежья рассмотрены в работах [7, 72, 77, 89, 105]. Значительный опыт рекультивации земель, нарушенных горными работами, имеется за рубежом. В США, Англии, Германии и ряде других стран разработка месторождений не разрешается без утверждения плана восстановительных работ.

На карьерах США для рекультивационных работ используется около различных наименований оборудования, из них 65 % - механизмы и машины для технического этапа рекультивации и 35 % - для биологического. В США существует около 50 специализированных предприятий по восстановлению земель, в том числе служба охраны почв, лесов, геологической среды и др.

Опыт проведения рекультивации в США свидетельствует о целесообразности использования высокопроизводительной карьерной техники (основную и вспомогательную) со специальным навесным оборудованием, а также сельскохозяйственной техники.

В штате Аризона глубокие меднорудные карьеры предполагалось рекультивировать для строительных целей - на отвалах планируется строительство городов-спутников, а также использование отработанных глубоких карьеров для гидроаккумулирующих электростанций (ГАЭС) с размещением верхнего и нижнего резервуаров, соответственно, наверху около борта и на дне карьера. Учитывая, что в этом районе США преобладают солнечные, ветреные дни, на отвалах будут размещены солнечные и ветровые электростанции [128].

Интерес для золотодобывающей отрасли РФ представляет опыт реализации проекта разработки и рекультивации горнопромышленной зоны Коппер Каньон в штате Невада (США) по восстановлению нарушенных земель корпорацией «New – mont Mining» [142].

Зарубежный опыт (Чехия, Словакия, Германия, США и др.) свидетельствует, что технический и биологический этап рекультивации проходит наиболее успешно, если весь процесс рекультивации выполняется одной организацией [60].

Ведение залога в форме депозита, образованного путем внесения наличных денег или в форме поручительства играет важную роль в законодательстве экономически развитых стран мира, в том числе в США [1, 3]. Достоинство залоговой системы состоит в том, что величина депозита может устанавливаться в каждом конкретном случае, благодаря чему можно избежать несоответствий, присущих системе единообразных налоговых отчислений на рекультивацию.

В настоящее время вмешательство государства может дать положительные результаты по восстановлению нарушенных земель, в виде государственных дотаций на рекультивацию, поскольку многие предприятия нарушившие земли прекратили свою деятельность, либо стремятся снижать расходы на рекультивацию, применять наименее затратные формы восстановления территории [36].

1.3 ОБОСНОВАНИЕ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ МЕТОДОВ ПРОВЕДЕНИЯ

ГОРНОТЕХНИЧЕСКОГО ЭТАПА РЕКУЛЬТИВАЦИИ РУДНЫХ КАРЬЕРОВ

Анализ результатов работы рудных карьеров показывает, что рекультивация нарушенных земель в большинстве случаев осуществляется с отставанием от сроков их нарушения. Это объясняется нерациональной технологией ведения горных работ, не оптимальными решениями, закладываемыми в проект горнотехнической рекультивации и календарный план отработки рудных месторождений.

Причинами низких темпов рекультивации являются, с одной стороны, сложные горно-геологические условия рудных месторождений, определяющие длительный срок эксплуатации месторождений, а с другой - несовершенство правового регулирования процессов рекультивации, слабый государственный контроль, что позволяет горнодобывающим предприятиям уклоняться от ответственности за восстановление нарушенных земель.

Для более эффективного проведения рекультивационных работ необходимо изучение проблем рекультивации нарушенных земель. В работе [36] авторы выдвигают следующие задачи:

- разработка методов диагностики экологического состояния рекультивируемых и не рекультивированных нарушенных земель;

- круглогодичный мониторинг динамики свойств и режимов формирующихся экосистем;

- поиск новых технологических приемов рекультивации нарушенных земель;

- разработка теории проектирования рекультивационных мероприятий с высокой экологической эффективностью;

- проектирование и авторский надзор за реализацией проектов рекультивации, передача рекультивированных территорий землепользователю;

- экологическое конструирование ландшафтов разноцелевого назначения, в том числе и рекреационного.

Эффективность проведения рекультивации земель выше, если ее отдельные операции выполняются в процессе основного производственного цикла. Технический этап рекультивации при ведении открытых горных работ должен рассматриваться как неотъемлемая часть основных технологических процессов открытых горных работ, и учет требований биологической рекультивации на этом этапе обеспечивает создание наиболее благоприятных экологических условий для последующего освоения нарушенных земель. Технология горных работ по возможности должна включать в себя как можно больше элементов совмещения с последующими работами по рекультивации с целью получения минимальных суммарных затрат на отработку месторождения и восстановление нарушенных земель.

Условия для снижения затрат на рекультивацию должны создаваться в процессе горных работ с учетом выполнения требований выбранного направления рекультивации [4, 60, 120].

Производство горных работ с учетом последующих работ по рекультивации должно предусматривать:

- опережающее снятие плодородного слоя почвы, его складирование и хранение в целях землевания малопродуктивных угодий;

- селективную выемку потенциально плодородных пород, из транспортирование, хранение или непосредственное использование для рекультивации;

- совмещение процессов по удалению вскрыши и добычи с рекультивацией;

- складирование пород вскрыши и хвостов промывки песков в выработанное карьерное пространство;

- минимальные потери и разубоживание плодородной почвы и пригодных пород при их выемке, транспортировке и укладке в отвалы (бурты);

- укладку в отвалы максимально возможного объема вскрышных пород наиболее производительным, валовым способом.

С целью сокращения объемов планировочных работ и соответственно затрат на рекультивацию принимаемая схема отвалообразования должна обеспечивать создание рельефа поверхности, близкого к проектному, уже в процессе отсыпки отвала.

Сметанин В.И. отмечает [130], что этап технической рекультивации должен проходить в процессе эксплуатации карьера, что экономит затраты на разравнивание отвалов, так как работы ведут с рыхлыми свежеуложенными породами, которые требуют меньше усилий на нарезание и перемещение грунта; во-вторых, сокращает период освоения рекультивируемых площадей, так как первое разравнивание проводят в период формирования отвалов, а второе — после частичного самоуплотнения в период рекультивации.

В целях уменьшения вредного воздействия горных работ на окружающую среду, увеличения темпов рекультивационных работ и снижения стоимости работ по закрытию горных предприятий, должны быть решены следующие задачи [4, 106, 108]:

- оптимальное изъятие и минимальные сроки использования земель в технологическом процессе. Обоснование минимально необходимых площадей земельных и горных отводов для нормирования их с целью успешной сдачи земель сельскому и лесному хозяйству. Разработка оптимальных параметров для существующей технологии горных работ по рекультивации нарушенных земель при закрытии горных предприятий, обеспечивающих уменьшение изымаемых и нарушаемых земель;

- формирование как внешних, так и внутренних отвалов с учетом выбранного (рекомендованного) направления рекультивации земель и ускоренного возврата рекультивированных площадей для использования в народном хозяйстве;

Разработка экологичных, малоущербных для окружающей среды, рациональных и нетрадиционных технологий рекультивации земель, занятых складами забалансовых запасов и попутных полезных ископаемых, обеспечивающих их сохранность для использования в будущем (создание рациональной структуры техногенных месторождений);

- опережающее снятие плодородного слоя почвы и его транспортировку для нанесения на рекультивируемые поверхности или складирование и хранение в целях землевания малопродуктивных угодий, при этом величина опережающего снятия плодородного слоя почвы по отношению к верхнему уступу или нижнему ярусу внешнего отвала должна не превышать величину годового подвигания фронта горных работ и обеспечивать сохранность снятой плодородной почвенной массы от потерь и разубоживания;

- селективную выемку потенциально плодородных пород и их размещение на поверхности отвалов в объеме, достаточном для создания рекультивационного слоя после выравнивания поверхности отвалов;

- минимальные потери и разубоживание плодородной почвенной массы и пригодных пород при их разработке, транспортировке и укладке в отвалы;

- укладку в отвалы максимально возможного объема вскрышных пород наиболее производительным валовым способом в случае отсутствия во вскрышной толще токсичных пород и подготовки нарушенных площадей под лесонасаждения или озеленение;

- формирование оптимальных по форме и структуре, не горящих и устойчивых отвалов;

- осушение отвалов, образованных средствами гидромеханизации;

- дать экологическую и социально-экономическую оценку существующего в данном районе опыта рекультивационных работ;

- обеспечить для каждого объекта, подлежащего рекультивации, выбор рациональных направлений, дающих наибольший экологический, экономический и социальный эффекты как для предприятия, ведущего работы, так и для прежнего землепользователя, после передачи ему восстановленных земель;

- выдержать оптимальные сроки работ по рекультивации и передаче восстановленных угодий прежним землепользователям.

Включение рекультивации в единый комплекс открытой разработки месторождений как обязательного технологического звена позволяет найти пути снижения затрат на восстановление земель. Проведен анализ и обобщение технологии открытых горных работ с целью совершенствования технологических схем своевременной рекультивации нарушенных земель при разработке рудных крутопадающих месторождений:

отвалы вскрышных пород предпочтительно располагать на безрудных и по возможности безлесых площадях и тех частях горных выработок, из которых полностью извлечены п.и.;

для выполаживания общего угла откоса отвалов да наименьшего значения (меньшего, чем угол естественного откоса) отсыпка будет производиться слоями (ярусами) с целью террасообразования;

откосы отвалов должны быть выположены до углов 12 - 300, причем поверхности с углами откоса до 12 - 15 используются непосредственно, а более крутые (150 - 300) - только после создания террас по горизонталям бортов отвалов.

Ширину террас принимаем от 2 - 3 м при углах откоса 150 и до 8 - 10 м при угле откоса 300 ;

грубая и чистовая планировка поверхностей взорванных пород, освобождение рекультивируемой поверхности от крупных обломков пород, производственных металлоконструкций и мусора с последующим их организованным складированием;

применять технологию с внутренним отвалообразованием не только при разработке горизонтальных и пологих залежей, но и при разработке наклонных и крутых залежей в соответствующих условиях;

расширять область применения селективной технологии выемки плодородных и потенциально плодородных пород и их складирования в верхнюю часть отвала пустых пород;

формировать отвалы на больших площадях таким образом, чтобы они в минимальные сроки достигли конечной высоты с дальнейшим одновременным развитием всех отвальных ярусов.

В работах [45, 46, 47] дается предложение по внесению корректировок в государственные стандарты по рекультивации породных отвалов горнодобывающих предприятий, таблица 1.2. В частности авторы отмечают, что угледобывающие предприятия зачастую не проводят работы по рекультивации, обосновывая это мощностью ПСП на участке менее 0,2 м.

Таблица 1.2 - Предлагаемые корректировки в государственных стандартах по рекультивации нарушенных земель Мощность снимаемого почвенного Мощность почвенного слоя при его сняслоя определяется типом почвы и тии бульдозером определяется по факнаходится в диапазоне 0,2 – 0,4 м тическому природному состоянию Почвенный слой снимается отдель- ПСП концентрированно укладывается в 17.4.3.02- но от подстилающих пород, а в перспективных границах горных работ.

дальнейшем наносится на поверх- Далее карьерным экскаватором ПСП отность породного отвала мощно- гружают совместно с подстилающими стью 0,2 при сдаче под кормовые ППП. На отвале сформированный почугодья и 0,4 м при сдаче отвала под венный слой укладывают слоем до 2-х Поверхность плодородного отвала Поверхность рекультивируемого отвала 17.5.3.04- должна иметь горизонтальную по- должна иметь мелкоскладчатую поверхверхность. Эта поверхность созда- ность, что исключает одномоментное ется путем грубой и чистовой пла- образование больших объемов талой вонировки поверхности. При этом ды в весенний период, размыв откосов создается незначительный уклон от отвалов и нарушение их целостности. На центра отвала к его периферийной поверхности породних отвалов происхочасти. Рекультивационные земли дит неравномерное оседание в течении должны преимущественно под 10-15 летнего периода, вследствие этого Технический этап рекультивации Технический этап рекультивации вклювключает планировку, формирова- чает формирование продуктивного почние откосов, снятие, транспортиро- венного слоя в экскаваторном забое вание и нанесение почв и плодо- верхнего вскрышного уступа и создание родных пород на рекультивируе- высоко продуктивного корнеобитаемого Биологический этап рекультивации Биологический этап необходимо провоземель включает комплекс агрохи- дить в случаях размещения приповерхмических и фитомелиоративных по ностного почвенного слоя с низкими кавосстановлению плодородия нару- чественными характеристиками, что Таким образом, данные территории рекультивируются по санитарногигиеническому направлению, а снимаемый ПСП укладывается валовым способом в тело отвала.

Так же собственники, не нарушая предписания нормативных документов, оставляют финансирование рекультивационных работ в будущем (в долгосрочном периоде 5 - 10 лет) стабильным, исходя из проектных расчетов по проведении рекультивационных работ, но в условиях инфляции это приводит к тому, что объемы работ к концу планируемого периода будут выполнены на 30-40 % от базисных объемов.

В настоящее время существует необходимость рассмотрения горнотехнической рекультивации как основного технологического процесса разработки месторождений открытым способом. Формирование карьерного пространства и внешних породных отвалов должно соответствовать выбранному направлению рекультивации и морфологии территории, быть наименее землеёмким, т.е. расход земельных ресурсов на единицу добытого полезного ископаемого должен быть минимальным.

Разрыв во времени между нарушением и восстановлением земель должен быть минимальным. Рекультивация нарушенных земель открытыми горными работами, зачастую, понимается как мероприятие, проводимое после отработки месторождения, на стадии консервации.

Сроки изъятия и восстановления земель прямо связаны с эффективностью разработки месторождений. Горнодобывающие предприятия уже в начальной стадии эксплуатации должны стремиться к скорейшему восстановлению нарушенных земель и возвращению их в хозяйственное пользование, что позволяет снизить негативное воздействие на окружающую среду нарушенных территорий и уменьшить плату за изъятие земель и загрязнение окружающей среды.

2 АНАЛИЗ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ОТВАЛОВ НА ГОРНОТЕХНИЧЕСКОМ ЭТАПЕ РЕКУЛЬТИВАЦИИ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ОТКРЫТОЙ

РАЗРАБОТКИ РУДНЫХ КРУТОПАДАЮЩИХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

2.1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ОТВАЛОВ ПО

КРИТЕРИЮ МИНИМУМ ЗАНИМАЕМОЙ ПЛОЩАДИ

Результаты проведения рекультивации нарушенных земель зависит от способа формирования отвала: валового или селективного. Каждый способ формирования отвала требует выполнения всего комплекса работ по технической рекультивации нарушенных земель.

При валовом способе отвалообразования все типы горных пород оказываются в смешанном состоянии в теле отвала. Поверхность отвалов при валовом способе их формирования слагают породы разных геологических возрастов, резко отличающиеся по своим физико-механическим и агрохимическим свойствам, и по пригодности для развития растений. В этих условиях для своевременной рекультивация нарушенных земель требуется определенное временя после завершения отработки месторождения. Тогда затягиваются сроки рекультивации нарушенных земель. Перенесение рекультивации на более поздние приводит к увеличению негативного воздействия на окружающую природную среду.

Для оценки селективного формирования отвала производится горногеометрический анализ с целью определения выхода вскрышных пород из карьера в соответствии с их пригодностью для рекультивации нарушенных земель.

При этом устанавливаются объемы снимаемого плодородного слоя почвы, потенциально плодородных и непригодных пород для рекультивации земель.

По агрохимическим показателям наиболее перспективны для проведения биологической рекультивации четвертичные отложения, представленные супесями и суглинками. Поверхность отвалов, сложенная из пригодных для нормального роста растений пород, может осваиваться впервые годы после отсыпки.

Применяемые технологические схемы складирования вскрышных пород во внешние отвалы должны удовлетворять следующим основным требованиям:

предусматривать укладку в отвалы максимально возможного объема вскрышных пород наиболее производительным валовым способом;

возможность селективной укладки вскрышных пород в соответствии с их пригодностью для биологической рекультивации;

уменьшение объема горно-планировочных работ при технической рекультивации нарушенных земель.

Параметры отвалов должны обеспечивать наибольшую эффективность использования земельного отвода, занимая минимальную площадь для складирования максимального объема вскрышных пород. Выполнение данного условия позволит уменьшить площадь отчуждения земель под горный отвод и негативное влияние на окружающую среду.

Таким образом, для обоснования рациональной схемы формирования внешних отвалов необходимо обеспечить размещение максимально возможных объемов вскрышных пород на минимальных площадях за счет оптимизации формы основания отвала.

Как показывает опыт разработки рудных месторождений форма отсыпаемых отвалов вскрышных пород в основном круглая, квадратная и прямоугольная.

Определим параметры нарушаемых земель при различных формах внешних отвалов вскрышных пород и ярусах.

Для определения параметров бульдозерных отвалов необходимо определить общий объем пород, подлежащих складированию в отвалы, W.

Площадь, необходимая для размещения внешних отвалов в период строительства карьера, м2 [125] где WОТВ – объем пород, подлежащих размещению в отвале за срок его существования, м3;

kp – коэффициент разрыхления пород в отвале (1,05 – 1,2) [62];

kи — коэффициент использования отвальной площади, зависящий от конструкции и высоты отвала;

а — предохранительная полоса земельного отвода от нижней бровки отвала, м (20 м) [113].

Площадь отвала определяется [126] в зависимости от объема вскрышных пород, который должен быть размещен в отвале за срок существования карьера и высоты отвала, м где h – высота отвала, м;

k o – коэффициент, учитывающий откосы и неравномерность заполнения площади (0,8 – 0,9 для одноярусных отвалов и 0,6 – 0,7 для двухъярусных).

Ёмкость отвала, WОТВ основание, которого имеет правильную прямоугольную форму, м Емкость одноярусного отвала с основанием отвала квадратной формы На рисунке 2.1 представлена схема одноярусного отвала в разрезе.

L – длина отвала, м;

L1 - длина отвала без учёта откосной части отвала - h ctg, м;

- угол откоса яруса отвала;

h – высота яруса отвала, м.

Длина отвала L с основанием квадратной формы, м где - угол откоса яруса отвала, град.

Площадь основания отвала квадратной формы, м Коэффициент формы отвала С, характеризующий отношение длины отвала к ширине Площадь основания отвала прямоугольной формы, м Определим площадь основания прямоугольной формы одноярусного отвала при изменении следующих параметров: высота отвала, соразмерность сторон и объем складируемых пород. Результаты расчета площади основания прямоугольной формы одноярусного отвала приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 - Результаты расчета площади основания прямоугольного одноярусного отвала для различных значений высоты отвала, объема складируемых пород и соразмерности сторон отвала отвала, Коэффициент Ёмкость отвала основание которого имеет округлую форму, м где R – радиус основания отвала, м.

Радиус основания отвала округлой формы, м На рисунке 2.1 представлены графики зависимости площади основания прямоугольного одноярусного отвала от объема складируемых пород.

Площадь отвала, основание, которого имеет круглую форму, м Площадь основания отвала S, тыс. м2 Рисунок 2.1 - График зависимости площади основания прямоугольного одноярусного отвала от объема складируемых пород и меньшей полуоси изменении параметров: высота отвала, объем складирования пород и соразмерность длин полуосей основания отвала приведены в таблице 2.2.

Таблица 2.2 - Результаты расчета площади основания формы эллипс одноярусного отвала для различных значений высоты отвала, объема складируемых пород и соразмерности длин полуосей основания отвала Высота соразмерности На рисунке 2.2 представлен график зависимости площади основания (эллипс) одноярусного отвала от объема складируемых пород.

Анализ изменения площади основания одноярусного отвала при постоянных значениях высоты и ёмкости отвала показывает, что значение минимума занимаемой площади ( S min ) реализуется при условии формирования основания отвала в виде эллипса, при соразмерности длин полуосей основания отвала ( C max ).

Таким образом, для дальнейшего проведения горнотехнической рекультивации основание отвала целесообразно формировать на горизонтальном или слабонаклонном основании в форме эллипса, с соразмерностью длин полуосей > 1.

Площадь основания отвала S, тыс. м Рисунок 2.2 - График зависимости изменения площади основания формы эллипс отвала.

Основание откоса отвального яруса l, м Ширина террасы первого отвального яруса, м Результирующий угол двухъярусного внешнего отвала Емкость многоярусного отвала рассчитывается, как сумма объемов ярусов отвала, м На рисунке 2.4 представлена схема двухъярусного отвала в разрезе.

Рисунок 2.4 - Схема двухъярусного отвала в разрезе h1, h2 – высота ярусов отвала, м;

– угол откоса яруса отвала, град;

B – ширина транспортной - предохранительной бермы, м;

L1 – длина нижнего яруса отвала, м;

L2 – длина верхнего яруса отвала, м.

Емкость двухъярусного отвала, м Принимаем высоту первого яруса отвала равной высоте второго яруса, тогда емкость двухъярусого отвала, м Длина первого яруса отвала L1, с учетом приращения откосной части Площадь основания отвала квадратной формы, м Коэффициент формы отвала С, характеризующий отношение длины отвала к ширине Площадь основания двухъярусного отвала прямоугольной формы, м Определим площадь основания двухъярусного отвала с основанием прямоугольной формы при изменении следующих параметров: высота отвала, соотношение сторон отвала и объем складирования пород. Результаты расчета площади основания двухъярусного отвала с основанием прямоугольной формы приведены в таблице 2.3.

Таблица 2.3 - Результаты расчета площади основания прямоугольного двухъярусного отвала для различных значений высоты отвала, объема складируемых пород и соразмерности сторон отвала Высота Коэффициент На рисунке 2.5 представлен график зависимости площади основания прямоугольного двухъярусного отвала от объема складируемых пород.

Площадь основания отвала S, тыс. м Рисунок 2.5 - График зависимости площади прямоугольного основания Радиус основания двухъярусного отвала округлой формы, м Площадь двухъярусного отвала с основанием округлой формы, м Коэффициент формы отвала С, характеризующий отношение длин большей и меньшей полуоси где R1 - длина большей полуоси отвала, м, Площадь двухъярусного отвала с основанием эллипс, м Результаты расчетов площади основания (элипс) двухъярусного отвала при изменении следующих параметров: высота отвала, объем складирования пород и соразмерность длин полуосей основания отвала, приведены в таблице 2.4.

Таблица 2.4 - Результаты расчета площади основания в форме эллипса двухъярусного отвала для различных значений высоты отвала, объема складируемых пород и соразмерности длин полуосей основания отвала яруса соразмерности На рисунке 2.6 представлен график зависимости площади основания (эллипс) двухъярусного отвала от объема складируемых пород.

Площадь основания отвала S, тыс. м Рисунок 2.6 - График зависимости площади основания в форме эллипса двухъярусного отвала от объема складируемых пород На рисунке 2.7 схематично представлена откосная часть трехъярусного отвала в разрезе.

Рисунок 2.7 - Схема откосной части трехъярусного отвала в разрезе h – высота яруса отвала, м;

– угол откоса яруса отвала;

B – ширина террасы, м;

- результирующий угол откоса отвала.

Основание откоса L трехъярусного отвала при его высоте Н, м На рисунке 2.8 представлена схема трехъярусного отвала h1, h2, h3 – высота ярусов отвала, м;

- угол откоса яруса отвала, град;

B – ширина транспортной - предохранительной бермы, м;

L1 – длина нижнего яруса отвала с учетом приращения откосной части, м;

L2 – длина второго яруса отвала с учетом приращения откосной части, м;

L3 – длина третьего яруса отвала с учетом приращения откосной части, м.

Емкость трехъярусного отвала, м Принимаем высоту первого яруса отвала равной высоте второго и третьего ярусов. Тогда емкость трехъярусного отвала, м Длина нижнего яруса отвала, м Площадь основания отвала квадратной формы, м Коэффициент формы отвала С, характеризующий отношение длины отвала к ширине Площадь основания трёхъярусного отвала прямоугольной формы, м Определим площадь прямоугольного основания трёхъярусного отвала при изменении следующих параметров: высота отвала, соразмерности сторон и объем складирования пород. Результаты расчета площади основания трёхъярусного отвала приведены в таблице 2.5.

На рисунке 2.9 представлен график зависимости площади основания прямоугольного трёхъярусного отвала от объема складируемых пород.

Таблица 2.5 - Результаты расчета площади основания прямоугольного трёхъярусного отвала для различных значений высоты отвала, объема складируемых пород и соразмерности сторон отвала Площадь основания отвала S, тыс., м Рисунок 2.9 - График зависимости площади основания прямоугольного трёхъярусного отвала от объема складируемых пород Ёмкость трёхъярусного отвала с основанием округлой формы, м Принимаем высоту первого яруса отвала равной высоте второго и третьего ярусов Радиус основания трёхъярусного отвала округлой формы, м Площадь трёхъярусного отвала с основанием округлой формы, м Коэффициент формы отвала С, характеризующий отношение длин большей и меньшей полуоси Площадь трёхъярусного отвала с основанием в форме эллипса, м Результаты расчетов площади основания (элипс) трёхъярусного отвала при изменении следующих параметров: высота отвала, объем складирования пород и соразмерность длин полуосей основания отвала приведены в таблице 2.6.

Таблица 2.6 – Результаты расчета площади основания в форме эллипса трёхъярусного отвала для различных значений высоты отвала, объема складируемых пород и соразмерности длин полуосей основания отвала яруса соразмерности На рисунке 2.10 представлен график зависимости изменения площади основания (эллипс) трёхъярусного отвала от объема складируемых пород.

Анализ данных, представленных в таблицах 2.1 – 2.6 показывает, что наибольшая площадь основания у одно, - двух, - трехъярусного отвала, при прочих равных параметрах, достигается при формировании основания отвалов квадратной формы.