Эрозионные процессы на отвалах вскрышных пород при весеннем снеготаянии (в условиях Стойленского горно-обогатительного комбината)

ЭРОЗИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ НА ОТВАЛАХ ВСКРЫШНЫХ ПОРОД ПРИ ВЕСЕННЕМ СНЕГОТАЯНИИ

И.Я. Пигорев, Ю.В. Алыменко, В.М. Солошенко

Аннотация. Рассмотрены особенности снеготаяния на склонах породных отвалов железорудного месторождения в зависимости от свойств пород и экспозиции склона. Выявлены зависимости величины стока от ряда факторов на отвалах вскрышных пород разного геологического возраста. Определены значения смыва породы с отвала при снеготаянии в конкретных климатических условиях.

Ключевые слова: отвал, порода, стоковая площадка, сток, смыв, запасы воды в снеге, водопроницаемость, экспозиция, склон, глубина промерзания породы.

Технология добычи полезных ископаемых открытым способом обуславливает преобразование литологической основы и коренную трансформацию природных комплексов. Основной и наиболее активной формой нарушения в условиях горнорудного производства являются отвалы вскрышных пород, объемы которых на КМА достигли 1242 млн.м3. Энергия рельефа и наличие крутосклонов формируют весь спектр дефляционно-эрозионных процессов, протекающих в десятки и сотни раз интенсивнее, чем в природных условиях [1,2].

Неравномерное распределение снежного покрова по склонам обвала и их элементам создает разные режимы таяния снега и обнажения породы, а в итоге создает различия в эрозируемости склонов [3].

Для изучения этого процесса в 2007-2009 гг. были проведены исследования на стационарных стоковых площадках площадью 100 м2 размещенных на отвалах Стойленского горно-обогатительного комбината из мела, песка, песчано-глинистых отложений девона и грунтосмеси.

На большинстве отвалов таяние снега на склонах северо-восточной, северной и северо-западной экспозиций идет параллельно с оттаиванием породы и завершается на крутосклонах (24-370) независимо от пород, слагающих отвал (кроме меловых), на 3 - 5 дней раньше полного оттаивания. На таких склонах активное снеготаяние наступает при устойчивых положительных температурах, когда снег оседает и уплотняется.

Учитывая, что такие склоны имеют большие запасы воды в снеге, чем склоны противоположных румбов и более эрозионны, большинство стоковых площадок были заложены именно на таких экспозициях.

На отвалах из мела и его смесей с другими породами полное оттаивание профиля происходило на 17 - 23 дня позже схода снежного покрова и зависело, в основ-

ном, от рельефа поверхности, глубины промерзания и высоты снежного покрова.

При наблюдении за снеготаянием установлено, что не на всех породах наступает максимум расхода воды и наносов одновременно.

На песчаных породах и грунтосмеси максимум расхода воды наступает на 2 - 3 дня раньше, чем на отвалах из мела и девонских отложения. Т акая особенность согласуется с литературными данными о том, что начало снеготаяния наблюдается на площадках с минимальными запасами снеговой воды.

В начальный период водный поток, формирующийся при таянии снега, стекает по ледяной корочке и мерзлой породе, в результате мы не наблюдаем существенного смыва. Данные о стоке воды и наносов при снеготаянии в 2009 году на отвалах Стойленского ГОКа показывают, что в начале снеготаяния (с 15 - 21 марта) водным потоком транспортируется относительно небольшая часть наносов: на стоковой площадке 100 м2 на мелу - 7,9 кг, на песке - 27 кг, грунтосмеси - 109, 0 кг, девонских отложений - 153,8 кг, алеврите юры -120, кг. В дальнейшем, когда поверхность склона все больше освобождается из-под снега и оттаивает, величина наносов резко возрастает: до 85 кг на мелу, 65 кг -на песке, 174 кг - на грунтосмеси, 220 - на девонских отложениях и 479 кг - на алеврите юры.

Анализ динамики стока воды и наносов при снеготаянии на отвалах из суглинка и глины келловея Стойленского ГОКа позволяет сделать вывод, что механизм проявления эрозии в этот период на отвалах вкрышных пород однотипен.

Установлено, что увеличение мутности стока идет под действием двух взаимосвязанных факторов. Это нарастание суммы положительных температур и обнажение из-под снега поверхности склона.

Последний проявляется в местах с наименьшим запасом снега. На склонах это средняя его часть. В то время когда на его вершине еще идет снеготаяние и формируется сток, на отвалах из суглинка и алеврита юры обнаженная часть склона, оттаявшая на глубину 49 см, часто насыщается водой до состояния текучести, что приводит к сползанию породы по склону в виде «оплывин».

Величина стока вод со склонов породных отвалов в наибольшей степени зависела от запаса воды в снеге. Коэффициенты парной корреляции между этими факторами составили 83-98%.

В меньшей степени сток талых вод зависит от глубины промерзания породы. Причем, зависимость в этом случае имела обратный характер, то есть, чем меньше

глубина промерзания породы, тем больше величина стока. Коэффициенты корреляции для разных пород составили 0,83-0,85.

Объясняется это тем, что глубина промерзания пород в нашем случае является лишь следствием, а причина кроется в запасах воды в снеге. Именно снежный покров определяет глубину промерзания пород и величину стока. Между запасами воды в снеге и глубиной промерзания установлена тесная корреляционная связь.

У изученных пород меньшие значения стока наблюдались на южном склоне, по сравнению с северным [4]. Результаты показывают, что определяющим фактором этой зависимости является меньший запас воды в снеге на южных склонах. На примере песчаноглинистых отложений девона показаны экспериментальные точки зависимости стока талых вод от запаса воды в снеге на южном и северном склонах, которые хорошо аппроксимируются одной прямой линией (рисунок 1).

Рисунок 1 - Зависимость стока талых вод от запаса в снеге на отвалах песчано-глинистых отложений девона

Нами был проанализирован сток талых вод на отвалах различных пород северного и южных склонов Стойленского ГОКа (рисунок 2). Наибольшее сток отмечался у меловых пород (22 мм на северном склоне и 38 мм на южном), несколько ниже был зафиксирован сток у грунтосмесей (17 мм на северном склоне и 31 -на южном) и незначительный у песка сеноман-альба (9 мм на северном склоне и 14 мм на южном).

40-

35-

30-

25-

20-

15-

10-

5

0

38

-22

31

17

14

северный склон

южный склон

мел грунтосмесь песок

Рисунок 2 - Сток талых вод на отвалах различных пород в условиях Стойленского горно-обогатительного комбината

С целью определения влияния крутизны склона на величину стока проводились наблюдения за ходом снеготаяния на более пологих склонах. Они показали, что в начале снеготаяния, когда сток идет по ледяной ко-

рочке и мерзлой породе, влияние крутизны склона на сток менее выражено, чем в период полного освобождения склона от снега и оттаивания [5]. На выположен-ных склонах коэффициент стока талой воды был ниже, чем на крутых, с которых вода сходит за более короткий промежуток времени. При этом установлено, что на песчаных склонах увеличение стока воды с ростом крутизны идет медленнее, чем на склонах из мела и грун-тосмеси.

Смыв породы на отвалах в значительной степени зависит от типа породы и экспозиции склона (рисунок 3).

Наименьшие значения смыва (7 т/га) были зарегистрированы на южном склоне у песчаных пород, а наибольшие - на северном склоне грунтосмесей (65 т/га). В целом, как и в случае стока талых вод, величина смыва на склонах северной экспозиции были выше, чем на южных.

Рисунок 3 - Величина смыва пород с отвалов Стойленского ГОКа в зависимости от породы

Оба исследуемых климатических фактора (запас воды в снеге и глубина промерзания породы) оказали влияние на величину смыва пород, хотя степень их влияния различались между породами в условиях разных склонов.

В отличие от стока талых вод, смыв пород на разных склонах имел свои особенности и его величина определялась индивидуальным характером зависимости от исследуемых в опыте факторов. Смыв меловых отложений турона, грунтосмеси, песка и алеврита юры на северном склоне в большей степени зависел от запаса воды в снеге и глубины промерзания породы.

Смыв песчано-глинистых отложений девона на обоих склонах в основном определялся глубиной промерзания этой породы. Прежде всего такое влияние факторов связано с более интенсивным характером снеготаяния на южных склонах, по сравнению с северными. Другим, не менее важным фактором, а для песчаноглинистых отложений девона являющимися, видимо, определяющим, служит влажность в предзимний период, что, в конечном итоге, проявляется через глубину промерзания и водопроницаемости мерзлых грунтов.

Список использованных источников

1 Бурыкин, А.М. Эродируемость вскрышных пород техногенного ландшафта и некоторые приемы борьбы с эрозией (на примере Стойленского ГОКа) / А.М. Бурыкин, И.Я. Пиго-рев // Рекультивация земель, нарушенных горными работами на КМА. - Воронеж, 1985. - С. 85-103.

2 Бурыкин, А.М. Эрозия и способы борьбы с ней на отвалах КМА / А.М. Бурыкин, И.Я. Пигорев // Тезисы докладов 8 Всесоюзного съезда почвоведов, 14-18 августа 1989 г., г. Новосибирск. Кн. 5. - Новосибирск, 1989. - С. 294-295.

3 Пигорев, И.Я. Особенности снеготаяния и эрозионные процессы на отвальных породах при весеннем снеготаянии / И.Я. Пигорев, М.А. Толдинов // Основные способы восста-

9

новления земель, нарушенных горной промышленностью КМА: Сб. науч. тр. - Белгород, БСХИ, 1989.- С. 23-39.

4 Пигорев, И.Я. Эрозия на породных отвалах в период снеготаяния / И.Я. Пигорев // Научные достижения - сельскому хозяйству (материалы науч.-практ. конф.). - Курск, 1990. - С. 102-104.

5 Пигорев, И.Я. Водоудерживающая характеристика вскрышных пород КМА / И.Я. Пигорев // Биологическая рекультивация нарушенных земель (материалы междунар. совещания, 26-29 августа 1996 г., г. Екатеринбург). - Екатеринбург, 1996. - С. 120-121.

Информация об авторах Пигорев Игорь Яковлевич, доктор сельскохозяйственных наук, профессор, проректор по научной работе и инновациям ФГБОУ ВПО «Курская ГСХА».

Алыменко Юлия Викторовна, аспирант ФГБОУ ВПО «Курская ГСХА».

Солошенко Виктор Михайлович, доктор сельскохозяйственных наук, профессор, заведующий кафедрой менеджмента ФГБОУ ВПО «Курская ГСХА».