Геоэкологические проблемы разработки карьеров полезных ископаемых

       Введение 

       Горнодобывающая промышленность России и мира в настоящее  время широко развивается. Открываются  новые месторождения полезных ископаемых, а так же эксплуатируются старые.

       Промышленная  добыча полезных ископаемых, начиная  с XVIII века, велась с помощью вертикальных горных выработок: глубоких шурфов (до 10 м), шахт. Из вертикальной выработки  при необходимости проходилось  несколько горизонтальных выработок, глубина которых определялась уровнем  залегания подземных вод. Если они  начинали заполнять шахту, шурф, добыча прекращалась из-за нехватки водоотливной техники. Следы старых горных выработок  можно наблюдать и сегодня  в окрестностях Пласта, Кусы, Миасса и многих других городов и поселков горнозаводской зоны области. Часть  из них остается незакрытой, не загороженной до сих пор, что представляет определенную опасность. Таким образом, вертикальная амплитуда изменений природной  среды, связанных с добычей минерального сырья, до XX столетия едва превышала 100 м.

       С появлением мощных насосов, осуществляющих водоотлив из выработок, экскаваторов, большегрузных автомобилей, разработка минеральных ресурсов все чаще ведется  открытым способом - карьерным.

       На  Южном Урале, где большинство  месторождений залегает на глубинах до 300 м, преобладает карьерная добыча. В карьерах добывается до 80 % (по объему) всех полезных ископаемых. Самой глубокой горной выработкой на территории области  является Коркинский угольный разрез. Его глубина на конец 2002 года была равна 600 м. Крупные карьеры имеются  в Бакале (бурые железняки), Сатке (магнезиты), Межозерном (медная руда), Верхнем Уфалее (никель), Магнитогорске  и Малом Куйбасе (железо).

       Очень часто карьеры располагаются  в городской черте, на окраинах поселков, что серьезным образом сказывается  на их экологии. Много мелких карьеров (несколько сотен) находится в  сельской местности. Практически каждое крупное сельское предприятие имеет  свой карьер площадью 1-10 га, где добываются щебень, песок, глина, известняк для местных нужд. Обычно добыча ведется без соблюдения каких-то экологических норм.

       Россыпные месторождения золота в речных песках разрабатываются в последние  десятилетия с помощью драг —  крупных промывальных машин, способных  брать рыхлую породу с глубин до 50 м. На мелких россыпях добыча ведется  гидравлическим способом. Породы, содержащие золото, размываются мощными струями  воды. Результатом такой добычи становится "рукотворная пустыня" со смытым почвенным слоем и полным отсутствием  растительности. Такие пейзажи вы встретите в Миасской долине, к  югу от Пласта. Масштабы добычи минерального сырья увеличиваются ежегодно. Это связано не только с ростом потребления тех или иных минералов, пород, но и с уменьшением содержания в них полезных компонентов.

       Любой способ добычи полезных ископаемых значительно  влияет на природную среду. Особое влияние  испытывает верхняя часть литосферы. При любом способе добычи происходит значительная выемка пород и их перемещение. Первичный рельеф заменяется техногенным. В горной местности это приводит к перераспределению приземных  потоков воздуха. Нарушается цельность  определенного объема пород, увеличивается  их трещиноватость, появляются крупные  полости, пустоты. Большая масса  пород перемещается в отвалы, высота которых достигает 100 м и более. Нередко отвалы располагаются на плодородных землях. Создание отвалов  обусловлено тем, что объемы рудных полезных ископаемых по отношению к  вмещающим их породам невелики. Для  железа и алюминия это 15—30%, для полиметаллов — около 1—3%, для редких металлов — менее 1%.

       Откачка воды из карьеров и шахт создает  обширные депрессионные воронки, зоны снижения уровня водоносных горизонтов. При карьерной добыче диаметры этих воронок достигают 10—15 км, площади  — 200—300 кв. км.

       Истощение грунтовых вод в районе горных выработок и осушение поверхностных горизонтов сильно влияют на состояние почв, растительного покрова, величину поверхностного стока, обуславливают общее изменение ландшафта.

       Создание  крупных карьеров сопровождается активизацией различных инженерно-геологических  и физико-химических процессов:

       - возникают деформации бортов карьера, оползни, оплывины;

       - происходит оседание земной поверхности над отработанными шахтными полями. В скальных породах оно может достигать десятков миллиметров, в некрепких осадочных породах десятков сантиметров и даже метров;

       - на соседних с горными выработками площадях усиливаются процессы эрозии почв, оврагообразования;

       - в выработках и отвалах активизируются во много раз процессы выветривания, идет интенсивное окисление рудных минералов и их выщелачивание, во много раз быстрее, чем в природе, идет миграция химических элементов;

       - в радиусе нескольких сот метров, а иногда и километров, происходит загрязнение почв тяжелыми металлами при транспортировке, ветровом и водном разносе, почвы также загрязняются нефтепродуктами, строительным и промышленным мусором. В конечном счете, вокруг крупных горных выработок создается пустошь, на которой растительность не выживает.

       Оценка  воздействия на геоэкологическую среду  открытого способа добычи полезных ископаемых, а именно карьерного способа  является актуальной задачей современности, так как данный способ создает комплекс проблем, влияющих как на окружающую среду, так и на человека.

       Целью данной работы является оценка негативного  воздействия на геоэкологическую среду  от разработки карьеров полезных ископаемых, а также способов уменьшения от данного  вида деятельности. Для этого необходимо решить следующие задачи:

- проанализировать способы добычи полезных ископаемых;

- дать характеристику открытому способу добычи, а также основным операциям разработки карьеров;

- проанализировать выявленные воздействия разработки карьеров на окружающую среду;

- проанализировать способам решения геоэкологических проблем. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       1 Общие сведения о горнодобывающей  промышленности мира       

       Комплекс отраслей, занимающихся добычей и обогащением полезных ископаемых. В составе отрасли выделяют:

- топливную;

- горнохимическую;

- горнорудную промышленность;

- добычу минерального технического сырья и др. видов неметаллического сырья (алмазы, графит, асбест, слюда, глины, строительные материалы и др.).

         Разработки ведутся как открытым (карьеры), так и подземным (шахты)  способом. Ни одна страна мира  не обладает полным набором  всех видов минерального сырья.  Только 20–25 стран располагают объёмами, превышающими 5 % мировых запасов  какого-либо одного вида полезного  ископаемого. Среди главных горнодобывающих  держав выделяются США, Россия, Китай, Канада, Австралия, ЮАР,  Бразилия. В системе мирового  хозяйства экономически развитые  страны выступают в основном потребителями сырья, а развивающиеся – добывают и экспортируют продукцию горнодобывающей промышленности. Однако и некоторые высокоразвитые страны (напр., США, Канада, Австралия) обладают крупными запасами и добычей, являясь часто даже мировыми лидерами по добыче разного вида сырьевых ресурсов. Тем не менее, в развитых странах доля добывающих отраслей во всём промышленном производстве в среднем составляет 2 %, а в развивающихся странах - 14 % (в нефтедобывающих странах Ближнего и Среднего Востока - около 40÷50 %). Эта отрасль - первичный сектор производства, ибо она добывает первичные материалы и энергоресурсы, без чего не могут существовать все остальные отрасли. 

Рисунок 1 - В забое угольной шахты

       2 Добыча полезных ископаемых

       Процесс извлечения твёрдых, жидких и газообразных полезных ископаемых из недр Земли с помощью технических средств. В процессе добычи извлекают ценные компоненты в относительно чистом виде, например нефть, газ, уголь, драгоценные и поделочные камни и т. п., или в виде горной массы, например руды металлов, которые в дальнейшем подвергаются переработке. Добычу ведут на суше – в шахтах, карьерах, из буровых скважин; на морских акваториях – из буровых скважин, драгами и специальными подводными аппаратами, собирающими полезные ископаемые со дна. Некоторые полезные ископаемые, напр. самородную серу, каменную соль, уголь, добывают в шахтах и карьерах, а также скважинным способом, переводя их в газообразное или жидкое состояние. На карьерах добывается до 90 % бурых и 20 % каменных углей, 70 % руд металлов, 95 % нерудных полезных ископаемых. Наряду с добычей газа скважинами разрабатывают месторождения нефти под землёй. Выбор способа зависит от особенностей залегания полезных ископаемых в месторождении, определяется экономическими расчётами. Ежегодные объёмы добычи полезных ископаемых в мире составляют около 20 млрд. т (в т. ч. неметаллических ископаемых – 13 млрд. т, нефти – около 3 млрд. т), газообразных – 1.5 трлн. м³. Рост добычи обеспечивается за счёт открытия новых месторождений, вовлечения в эксплуатацию месторождений глубокого заложения, применения способов обогащения руд с низким содержанием полезного компонента.

       2.1 Способы добычи полезных ископаемых 

       Полезным  ископаемым называют природное минеральное  образование органического или  неорганического происхождения, которое  может быть использовано человеком  с достаточным эффектом. Полезные ископаемые добывают из недр, природных  вод и на поверхности Земли.

       Добыча  полезных ископаемых - извлечение его  из земной коры или гидросферы с  целью использования. В более  узком понимании термин добыча применяют  для определения количества полезного ископаемого, добытого в определенный промежуток времени.

Существуют  следующие способы добычи полезных ископаемых: подземный, открытый, со дна  озер, морей и океанов и геотехнологический.

       При подземном способе отделение  полезного ископаемого от массива  производят в недрах Земли, а затем  его транспортируют на поверхность  по системе горных выработок - искусственных  полостей определенной формы, создаваемых  в земной коре с определенной целью. Горные выработки служат для разведки, добычи полезных ископаемых и строительства  подземных сооружений (метрополитена, автомобильных дорог или железнодорожных  туннелей, подземных хранилищ и др.).

       Открытый  способ добычи характеризуется тем, что отделение полезного ископаемого  от горного массива и его дальнейшую транспортировку осуществляют на поверхности  Земли. При открытом способе горные выработки бывают подземными и наземными.

Добычу  полезных ископаемых со дна озер, морей  и океанов осуществляют в основном в пределах континентального шельфа и ложа мирового океана. Добычу производят как через водную толщу с применением  механизированных баз, оснащенных черпаковыми  элеваторами, земснарядами и грейферными  погрузчиками, так и с помощью  горных выработок, проводимых с земной поверхности по породам дна водоемов до встречи с полезным ископаемым.

       Из  полезных ископаемых на россыпях шельфа добывают золото, олово, платину, минералы, содержащие титан, цирконий, железо и  др.

       Геотехнологический  способ предполагает бурение скважин  с поверхности или из горных выработок, изменение физического или химического  состояния полезного ископаемого  в недрах и извлечение его по скважинам  на поверхность. Для перевода твердых  полезных ископаемых в транспортабельное  состояние применяют механическое разрушение, плавление, растворение, химическую и бактериально-химическую обработку. Наибольшее распространение получили следующие геотехнологические способы: подземная выплавка серы, подземное химическое и бактериально-химическое выщелачивание медных, урановых и других руд, подземная газификация угольных пластов. В целом под геотехнологией принято понимать совокупность химических, физико-химических и биохимических процессов, способов и средств добычи полезных ископаемых с изменением их агрегатного или химического состояния в недрах Земли. Объемы применения геотехнологических способов добычи полезных ископаемых пока невелики. 

       3 Открытая разработка месторождений 

       Открытая  разработка – наиболее дешевый способ, поскольку при этом используется мощное производственное оборудование, позволяющее за смену извлекать  большое количество полезного ископаемого. Условия работы при открытой разработке менее опасны для здоровья работающих, причем требуется меньшая численность  контролирующего персонала, чем  при подземной добыче. В процессе открытой разработки первоначально  проводят вскрышные работы, т.е. удаление пустых пород, покрывающих залежь.

       Для удаления рыхлых вскрышных масс применяются  механизмы, используемые в капитальном  строительстве – скреперы, конвейерные  погрузчики, механические лопаты, драглайны, многоковшовые роторные экскаваторы  и др. Для перемещения пустых пород  применяются в основном большегрузные  самосвалы, скреперы и ленточные  и другие конвейеры, реже – вода, подаваемая под высоким давлением. Если вскрышные породы слишком крепки, то их обрабатывают с помощью тракторов, оснащенных рыхлителями, либо разрушают буровзрывным способом.

       Когда залежь или пласт подготовлены к  извлечению, выбирается оптимальная  система их разработки. Некоторые  массивные руды типа знаменитых месторождений  меди в каньоне Бингем в штате  Юта разрабатываются уступами, которые  поступательно подвигаются. Пластовые  месторождения (угля, калийных солей  и фосфатов) эксплуатируются открытым способом с применением рыхления. На тех карьерах, где для дробления  породы требуется проведение буровзрывных работ, при бурении часто используются шнековые или электрические установки  или дизельные станки вращательного  бурения. Иногда для открытых разработок применяются пневматические устройства типа отбойного молотка или перфоратора, установленные на платформах или  на гусеничном шасси. В самых прочных  породах наиболее эффективно термическое  бурение, при котором для разрушения используется сжигание под давлением  нефти или керосина в смеси  с кислородом. Термическое бурение  достигает температур 3000° С. Взрывные работы при открытой добыче осуществляются с применением порошкообразных  взрывчатых веществ (ВВ) или аммиачной  селитры. Электрические взрыватели используются чаще, чем обычные детонаторы. Важнейшим фактором при открытых разработках является устойчивость откосов бортов карьера. Если рельеф и свойства горных пород не позволяют  осуществить оптимальную выемку с нормальным расположением системы  уступов, соответствующим форме  рудного тела, то для повышения  устойчивости бортов карьера и обеспечения  большей крутизны откосов используют тросовые анкеры.

       Для погрузки отбитого полезного ископаемого  в автомобили или железнодорожные  вагоны применяют драглайны или  механические лопаты, ковшовые погрузчики с опрокидывающимся назад ковшом. Иногда используются многоковшовые  роторные экскаваторы, которые непрерывно перегружают добытый материал на конвейер для перемещения его  к пункту погрузки. Производительность крупных роторных экскаваторов достигает 9900 м3/ч. 

       3.1 Карьер. Основные технологические операции разработки 

       КАРЬЕР - горное предприятие по добыче полезных ископаемых открытым способом; карьером называется также совокупность выемок в земной коре, образованных при добыче полезных ископаемых открытым способом.

       Открытые  горные работы известны с эпохи палеолита. Первые крупные карьеры появились  в связи со строительством в Древнем  Египте пирамид; позднее в античном мире в карьерах в больших масштабах  добывался мрамор. Расширение области  применения открытого способа разработки при помощи карьеров сдерживалось вплоть до начала 20 века отсутствием производительных машин для выемки и перемещения больших объёмов вскрышных пород. В начале 80-х годов в мире посредством карьеров добывается 95% строительных горных пород, около 70% руд, 90% бурых и 20% каменных углей. Масштабы добычи в карьерах достигают десятков млн. т в год (табл.).

       Ведение открытых горных работ на больших  глубинах отличается рядом особенностей. Большая специфика характерна и  для карьеров, действующих на больших  высотах в горах. Карьер представляет собой систему уступов (обычно верхние  - породные или вскрышные, нижние - добычные, редко породные), подвигание которых обеспечивает выемку горных масс в контурах карьерного поля.

Рисунок 3.1 - Рельеф, образующийся при открытой разработке месторождений различного типа

        Условные обозначения:

                Месторождения:

поверхностные                                       высотные

 а)пологие  площадные,                         в)крутопадающие наклонные;

б)пологие  вытянутые; 

       Транспортные  связи в карьерах обеспечиваются постоянными или скользящими  съездами, а с поверхностью - траншеями. В процессе эксплуатации происходит перемещение рабочих уступов, вследствие чего увеличивается выработанное пространство. Посредством вскрышных работ покрывающие породы перемещаются в отвалы, иногда размещаемые в выработанном пространстве, добычные работы обеспечивают выемку и перемещение полезных ископаемых на промышленную площадку для первичной переработки или для отгрузки потребителю. Так формируются основные грузопотоки в карьерах, во многом определяющие его облик и технологические особенности.  

       При глубине карьера до 100 м с крепкими вмещающими породами в себестоимости 1 м3 вскрыши до 25-30% занимают буровзрывные работы, 12-16%-экскавация, 35-40%-транспорт  и 10-15% - отвалообразование; с увеличением глубины карьеров доля расходов на транспорт увеличивается до 60-70%. Современные карьеры - высокомеханизированные предприятия, оснащённые производительными машинами и механизмами для дробления, выемки, транспортирования и складирования горных пород.  

Рисунок 3.2 - Сибайский карьер по добыче медноколчеданных руд 

Рисунок 3.3 – Карьер по добыче гранита 

       Применительно к крупным карьерам определяющим является мощное горное и транспортное оборудование. Для бурения взрывных скважин применяют тяжёлые буровые  станки (шарошечные с удалением буровой  мелочи сжатым воздухом) массой до 100-130 т, развивающие усилие на долото 60-70 тс (диаметр скважин до 300-450 мм), лёгкие буровые станки. Основной тип взрывчатых веществ - гранулированные аммиачно-селитренные гранулиты (бестротиловые простейшего состава), граммониты (смесь селитры с тротилом) и водонаполненные (в обводнённых скважинах). Механическое рыхление осуществляется рыхлителями, мощность которых достигла 735 кВт, а масса 130 т. Электрические экскаваторы с канатным приводом и ковшом вместимостью 15-30 м3 при длине стрелы до 26 м - основное выемочно-погрузочное оборудование на добыче угля и руды. Одновременно широко распространяются гидравлические прямые мехлопаты с ковшами вместимостью 10-38 м3. Совершенствуются одноковшовые погрузчики различных моделей с ковшами вместимостью 4-20 м3, массой от 25 до 180 т и приводом мощностью от 184 до 1040 кВт; основная часть моделей - с шарнирно-сочленёнными рамами, поворачивающимися на 35-45°. На вскрышных работах внедряются всё более мощные мехлопаты и драглайны (применяется вскрышная мехлопата массой 12 тысяч т с ковшом вместимостью 135 м3 при мощности привода 22 тысяч кВт и драглайн массой 12 тысяч т с ковшом вместимостью 168 м3 при длине стрелы 92 м).

       Поточная  технология на карьерах достигается  применением роторных экскаваторов (при диаметре ротора 22 м и ковшах вместимостью 6,6 м3 суточная производительность машины до 240 тысяч м3). На карьерах средней  и малой мощности высокую эффективность  показывают т.н. компактные роторные экскаваторы  с уменьшенными рабочими параметрами. На карьерах с крепкими породами наибольший объём перевозок осуществляется тяжёлыми автосамосвалами. Автосамосвалы  грузоподъёмностью 100-155 т являются распространённым средством транспорта благодаря манёвренности, возможности  преодолевать крутые уклоны. В эксплуатации находится некоторое число 200-тонных самосвалов и самый большой - грузоподъёмностью 318 т. Для транспортирования горных масс из карьеров применяются железнодорожные тяговые агрегаты сцепной массой 360 т, думпкары грузоподъёмностью до 180 т. Создан отвалообразователь для применения по транспортно-отвальной системе разработки производительностью 12,5 тысяч м3/ч с длиной стрелы 220 м. Высокую производительность и благоприятные условия рекультивации обеспечивает комплекс оборудования, включающий ленточные конвейеры и перегружатели. На карьерах средней производственной мощности применяются самоходные карьерные дробилки на гусеничном, колёсном и шагающее-рельсовом ходу с массой до 600 т и часовой производительностью 5 тысяч т. Использование в карьерах дробильных агрегатов позволяет перейти к более широкому использованию конвейерных систем транспортирования.

       Электроснабжение  карьеров осуществляется по воздушным  линиям через карьерные подстанции напряжением 6-10 тысяч вольт. Для  питания вспомогательной техники  и освещения карьеров в рабочей  зоне используются передвижные трансформаторные киоски. На карьерах, особенно глубоких, при больших притоках подземных  вод применяется осушительная система  с помощью скважин, пробуренных  с поверхности вокруг карьера  или из подземных горных выработок. Помимо осушения на карьерах производится ограждение от поверхностных и просачивающихся  в карьеры вод.

       Созданы автоматизированные системы перспективного, текущего и оперативного планирования горных работ в карьерах по всем технологическим процессам, включая  рекультивацию земель, нарушенных открытыми  горными работами. Для определения  конечных границ и производительности карьеров применяют ЭВМ. В компьютерную систему закладываются данные условий залегания, информация о мощности вскрышных пород, другие геологических факторы, экономические показатели (плановая производительность карьера, капитальные вложения, стоимостные данные), требования по охране окружающей среды.

       В связи с большим масштабом  горных работ и глубиной карьеры  изменяют циркуляцию масс воздуха (холодный воздух "стекает" в карьер), создают  особый микроклимат. 

       4 Характеристика негативного воздействия разработки месторождений полезных ископаемых 

       Постоянно растущие потребности в строительных материалах вызывают необходимость  интенсивного развития горной промышленности. Наблюдается отторжение значительных территорий для разработки полезных ископаемых открытым и закрытым способом. На сегодняшний день общая площадь  нарушенных земель на земном шаре составляет порядка 20 млн. км2. Причинами деградации являются как сама добыча полезных ископаемых, так и застройка, размещение отходов производства и потребления  в окружающей природной среде. На горные выработки приходится более 80% от общего количества нарушенных земель. При этом, разработка открытым способом вызывает существенные изменения структуры  природных ландшафтов за счет увеличения или уменьшения абсолютных отметок  поверхности земли. Наблюдаются  изменения компонентов окружающей природной среды в результате прямого или косвенного влияния  деятельности горнорудных предприятий. Прямое влияние на качество окружающей природной среды проявляется при:

- изъятии значительных территорий сельских и лесных земель для проведения горных работ;

- загрязнении территории проведения горных работ отходами горно-обогатительных производств;

- нарушении гидрологического режима местности и, как следствие, уменьшение биологической продуктивности земель.

         Как показывает практика, один  гектар нарушенной разработками  территории ориентировочно оказывает  вредное влияние на гектар  прилегающей территории. Это объясняется  наличием земель, занятых отвалами пустой породы, хвостохранилищами, промышленными площадками, транспортными коммуникациями и др. Подсчитано, что в карьере площадью до 8 га и глубиной менее 10 м на 1 т добываемого сырья приходится до 1,5 т вскрышных пород. В табл. 1.1 представлены данные, характеризующие площадь земельного отвода по карьерам стран бывшего СНГ.  

Таблица 4.1 Характеристика земельных отводов для разработки полезных ископаемых открытым способом на территории стран бывшего СНГ

       Выделяют  четыре вида нарушенных территорий: 

- внутренние отвалы при бестранспортной системе разработки; 

- внутренние отвалы при транспортной системе разработки; 

- внутренние отвалы и карьеры, располагающиеся выше уровня земной поверхности; 

- глубокие карьеры. 

       При разработке полезных ископаемых открытым способом можно выделить два вида нарушений: ландшафтные и экологические. Под ландшафтными нарушениями понимают нарушения земной поверхности. Под  экологическими - изменение условий  жизнеобитания на землях горного  отвода и прилегающих к ним  территорий с падением их биологической  продуктивности и резким снижением  качества окружающей среды, что оказывает угнетающее действие на флору, фауну и здоровье человека.

       Так, при добыче полезных ископаемых открытым способом, формируется техногенный  пересеченный рельеф, состоящий из высоких насыпей и глубоких впадин. При изменении отметок местности  образуются положительные формы  техногенного рельефа (искусственные  возвышенности) и отрицательные  формы (овраги, балки, лощины, котлованы  и др.). Разность отметок может  достигать до 100 - 200 м. Усиление контрастности  среды существенно влияет на повышение  активизации обмена веществом и  энергией как внутри нового ландшафта, так и. между ним и смежными природными комплексами. По этой же причине  происходит интенсификация овраго- и  оползнеообразования. Кроме этого, нарушение значительных территорий земель происходит, зачастую, в результате неполного извлечения сырья. Так, например, разработка Водинского месторождения  самородной серы и доломитов при  рабочей площади карьеров около 100 га привела к деградации территории площадью до 2000 га.

       При отсутствии рекультивационных работ  по восстановлению нарушенных земель, наблюдаются изменения микрорельефа. При неоднородности уклонов поверхности  горной выработки, на ее территории происходит микроклиматическая дифференциация. Интенсивность  солнечного излучения при уклоне не менее 6° уменьшается более  чем на половину. Вогнутые части  карьера нагреваются в дневные  часы на 4-6 °С больше, чем выпуклые и получают разное количество влаги, что приводит к неоднородности температурного выветривания и постепенному обрушению склонов.

       Кроме этого, наличие выемок отработанных карьеров вызывает экологические нарушения. Выработанное пространство карьера оказывает негативное воздействие на атмосферу, литосферу, гидросферу.