К вопросу о рекультивации техногенных образований

• разработка способов и средств снижения отходящей тепловой энергии и утилизация ее в промышленных объемах с преобразованием в электрическую и тепловую энергию;

• изыскание и разработка способов использования нетрадиционных технологий преобразования низкопотенциальной тепловой энергии в электрическую и тепловую с более высоким потенциалом, с использованием тепловых насосов и фреоновых турбин;

• создание средней и малой энергетики работающей на принципе вихревого эффекта.

Для исключения потерь тепловой энергии, при передачи на значительные расстояния от ТЭЦ к потребителям, преобразовывать ее в электрическую в фреоновых турбинах. Передача электрической энергии на значительно большие расстояния сопряжена с меньшими потерями, чем передача на то же расстояние тепловой энергии. Для преобразования электрической

энергии в тепловую, на месте потребления, создаются преобразующие вихревые установки имеющие КПД от 1,3 до 8.

На основании изложенных аргументов можно полагать, что в первом столетии третьего тысячелетия тепловой катаст-рофы можно избежать или хотя бы в некоторой мере ослабить тепловое влияние на тропосферу и биосферу.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Ельчанинов Евгений Александрович - профессор, доктор технических наук, Московский государственный горный университет.

Тарасова М.В. - Московский государственный горный университет.

© Е.П. Щербакова, 2003

УАК 658.567.1

Е.П. Щербакова

К ВОПРОСУ О РЕКУЛЬТИВАЦИИ

ТЕХНОГЕННЫХ ОБРАЗОВАНИЙ

Проблема размещения техногенных отходов является на сегодняшний день ключевой в ряде геоэкологических проблем горнопромышленных комплексов. Основным критерием «чистоты» природопользования является хранение отходов с учетом путей их дальнейшей ассимиляции в биосфере.

Деградация окружающей среды вследствие захоронения и складирования отходов предопределена сутью горно-обогатительного производства: для

производства 1 т меди нужно извлекать из недр 100 т руды и практически те же 100 т складировать в виде хвостов в хвостохранилища.

Из общего земельного фонда Российской Федерации, оцениваемого в 1709,8 млн га, предприятия добывающей и перерабатывающей промышленности, энергетики занимают земли площадью 2,7 млн га [1]

Складирование же твердых бытовых отходов на открытых полигонах с 2005 г. в странах ЕС будет запрещено.

В структуре нарушенных земель более 40% общей площади занимают земли, нарушенные при добыче полезных ископаемых открытым способом, занятые гигантскими объемами техногенных образований в виде отвалов пустых пород и некондицион-

ных руд, хвосто- и шламохрани-лищ, золоотвалов ТЭЦ и ГРЭС и шлакоотвалов.

В среднем при добыче 1 млн т угля нарушается от 3 до 43 га земель, железной руды - от 14 до 600 га, марганцевой руды - от 76 до 600 га, известняка - от 60 до 120 га, фосфоритов - от 22 до 77 га. Самая высокая земле-емкость добычи угля на разрезах Кузбасса, она достигает при добыче 21,2 га на 1 млн т и при от-валообразовании - 25,3 га.

Рекультивация является одной из актуальнейших проблем при ликвидации предприятий. Темпы при этом остаются низкими. Так, за 2000 г. рекультивировано 208, 34 га земель, или 2,1% общей площади, подлежащей рекультивации согласно проектам ликвидации угольных шахт и разрезов. Всего с начала ликвидации рекультивировано 9,1% проектного объема [1].

Объемы нарушаемых и рекультивируемых нарушенных земель в горнодобывающих отраслях промышленности в целом по России представлены в таблице, причем более 50% нарушенных земель заняты под размещение горнопромышленных отходов.

В последние годы в сферу влияния геоэкологии вошло понятие "эстетики пейзажа", прочно занимающее позиции в горной практике Германии [2]. В ФРГ принципы обустройства и рекультивации нарушенных территорий основаны на интеграции объекта в ландшафт. Вредный для пейзажа и равновесия ландшафта фактор превращают, по меньшей мере, в

нейтральную структуру, а то и в ценный природный объект: биологический (птичий заповедник), климатологический (небольшая лесная территория, где образуются турбулентные потоки воздуха), экономический.

В этой связи представляется интересным и полезным опыт Германии по рекультивации отработанных карьеров и переформированию техногенных ландшафтов в связи со значительными достижениями в этой области.

Соотношение нарушенных и восстановленных земельных площадей по германским буроугольным бассейнам может быть представлено в следующем виде [3]:

Принимаемые в учет нарушенные территории 161849,4 га

Рекультивированные территории, га по видам использования:

Всего 90759,9

С/х 29975,8

лес 44585,9

водоемы 7970,8

Прочие (жилищное строительство, свалки, дороги, и др.) 8227,4

Производственные площади, га 71089,5

Понятие рекультивации в последние годы значительно расширилось, приобрело современное звучание, предполагающее более взвешенный подход к восстановлению нарушенных, загрязненных и деградированных земель, нежели предполагалось прежде. Современный уровень исследований и комплексный подход к вопросам экологии диктует необходимость объединения усилий ученых различных специальностей - горняков, геохимиков, почвоведов, микробиологов. Так, в рамках Государственной Программы «Разработка методов снижения экологической нагрузки в районах открытой добычи руд с последующим восстановлением природной среды» в работах был введен принцип экологически адекватной рекультивации, где учитывались геоморфологические и геомеханические особенности нарушенных территорий [4].

Помимо ландшафтных и геомеханических нарушений особое внимание при рекультивации следует уделять геохимическим аспектам.

Формирование литогеохимических аномалий, которые по силе и глубине воздействия на биоту значительно превышают очаги загрязнения природного происхождения, во многом связано с процессами складирования отходов. Для них характерна высокая скорость протекания процессов загрязнения, опережающая возможность биоты адаптироваться к изменяющейся среде обитания.

Наглядной иллюстрацией изложенному могут служить коренные изменения ландшафтногеохимической обстановки в ряде горнопромышленных регионов.

Неблагоприятная ситуация с концентрациями тяжелых металлов в речных и подземных водах горнопромышленного происхождения характерна для Челябинской, Пермской, Свердловской, Курганской, Курской и ряда других областей и горнопромышленных регионов. Так, только по Свердловской области

масса техногенных образований оценивается в 35 млрд.т. Площадь земель, нарушенных горными работами и занятых техногенными образованиями в Свердловской и Челябинской областях, превышает 2000 км2 [5].

Анализ химического состава рудничных и подот-вальных вод, а также фильтрата хвосто- и шламо-хранилищ ряда предприятий горной промышленности, расположенных на территории указанных областей свидетельствует, что высокое содержание тяжелых металлов в шахтных, подотвальных водах и фильтрате хвостохранилищ привело к коренному изменению геохимической обстановки.

Интенсивность загрязнения при этом значительно выше компенсационной способности природной среды к самоочищению и переработке вредных отходов. Наличие огромного объема техногенных образований стало причиной формирования катастрофической ситуации регионального масштаба на территории КМА, где ежегодные объемы вскрыши составляют около 80 млн м3 . Использование их в хозяйственных целях оценивается на уровне 15%.

В контурах горных отводов ЛГОКа, СГОКа, МГО-Ка железорудных карьеров в настоящее время за-складировано порядка 2500 млн м3 пород нарушенной структуры и около 900 млн м3 отходов обогащения, в результате чего в зоне прямого нарушения земель горно-обогатительных комбинатов КМА сформировался техногенный рельеф. По прогнозам к 2005 г. под отвалами, гидроотвалами и хвостохра-нилищами на КМА будет занято до 55% площади земельных отводов. Косвенные нарушения окружающей среды под действием водной, ветровой эрозии и фильтрации загрязненных вод с отвалов и гидроотвалов проявляются в радиусе до 40 км от центра складирования техногенных образований.[3] Одновременно на площади техногенного рельефа формируется специфический микроклимат: амплитуда колебаний температуры воздуха достигает 4,8 -7,6 0С; скорость ветра повышается в 3,4-8 раз, зона обезвоживания поверхностного слоя техногенных грунтов в засушливый период распространяется вглубь на 15-50см и т.д.

Проблема рекультивации отработанных хвостохранилищ данного региона является комплексной, так как предусматривает изоляцию материала хво-стохранилища от вредного влияния на растительность тяжелых металлов, и восстановление продуктивности нарушенных земель путем повторного их окультуривания.

Были разработаны региональные мероприятия по снижению накопления тяжелых металлов в растениеводческой продукции. Сущность этих мероприятий выражается в создании на рекультивируемых территориях хвостохранилищ щелочного кальцийсодержащего сорбционного характера геохимического барьера, способного задержать и сорбировать все тяжелые металлы (ТМ). Этот геохимический барьер создается из мело-мергельных пород и укладывается на отходы обогащения до 0,2 м, после чего укладывается слой потенциально плодородных пород (ППП). Эта схема позволяет поддерживать оптимальные для растений рН среды, и высокую емкость поглощения. Мело-мергельная прослойка, уложен-

АИНАМИКА РЕКУЛЬТИВАЦИИ НАРУШЕННЫХ ЗЕМЕЛЬ В ГОРНОАОБЫВАЮЩИХ ОТРАСЛЯХ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Отрасль горнодобывающей промышленности Нарушено/рекультивировано земель за год, га Нарушено земель, га

1996г. 1997г. 199Вг. 1999г. 2000г. на 01.01.01

Угольная промышленность 2619 1600 39В5 2В21 1949,7 1763 1315 1747 1321 1537 110055

черная металлургия 471 411 465 274 360 1055 263 36В 7В 236 51В33

Цветная металлургия 14ВВВ 22661 14632 20В91 11В03,6 2В67В 11569,3 232В0 12264 2670В,7 141041,В

Нефтедобывающая промышленность 23904 17902 22705 19375 16073 22064,5 12129,5 1В135 195В2 1291В,6 72000

Га зовая промыш лен -ность 9272 3273 3957 4075 1942 2В26 2510 3656 4004 4172 7604В,1

Торфяная промышленность 5036 4121 363 6В01 143 3740 112 1720 150 1534 В6432

Промышленность строительных материалов 155В 3040 1279 2117 12В0,2 1250,3 1322 1300 11В9,4 1297,7 52039,6

Итого: 5774В 5300В 473В6 56354 33551,5 61376,В 29220 50206,7 3В5ВВ,4 4В404,0 5В9449,5

ная на отходы обогащения, работает как двухсторонний геохимический барьер. Однако, кроме неоспоримых преимуществ, этот тип рекультивации хво-стохранилищ имеет и недостатки - кроме ТМ, в недоступную для растений форму будут переводиться и основные зональные элементы (например, Р), что потребует внесения дополнительных фосфорных удобрений.

Применение кальцийсодержащих пород при рекультивации хвостохранилищ за рубежом нашло широкое применение. Дополнительный эффект в снижении водной миграции и выноса растворенных металлов водным потоком оказывает известкование водной среды, покрывающей хвостохранилище.

Показателен опыт восстановления отработанных хвостохранилищ Северной Швеции, где добавление мела, в частности, в технические воды хвостохранилищ приводит к значительному повышению pH среды, что влечет иммобилизацию тяжелых металлов. Последнее является весьма существенным, поскольку техногенные образования, заскладированные на земной поверхности, подвергаются непрерывному изменению путем окисления и последующего выщелачивания сульфидов, что ведет к высвобождению тяжелых металлов и миграции их в подземные воды.

Среди передовых разработок по минимизации экологического ущерба от размещения хвостохранилищ представляют интерес работы шведских ученых в рамках программы, финансируемой Европейским Сообществом по ликвидации негативного экологического воздействия от горных отходов (Mi-Mi -Mitigation of the environmental impact from mining waste) [6].

Интенсивная разработка медно-цинковых месторождений на севере Швеции и высокие требования общества к качеству окружающей среды обусловили проведение дорогостоящих работ, направленных на поиск оптимальных технических решений для снижения негативного воздействия хвостохранилищ на

окружающую среду (Lindsvall et al., 1999; MiMi programme, 199В).

Так, в Zn-Cu руднике Кристинбари, Северная Швеция, хвостохранилище было законсервировано двумя способами, являющимися современными рекульти-вационными методами, - как грунтовым покрытием с дальнейшей за-дерновкой, так и водой, с регулярным внесением мела.

Взаимодействие извести и растворенной в воде углекислоты приводит к образованию кальцита и гипса. Следствием внесения первой в водоем является также резкое повышение рН водной среды до 912, что приводит к образованию и осаждению гидрооксидов железа и марганца. Образующиеся в результате указанных реакций кальцит, гипс, гидрооксиды железа и марганца являются минеральной фазой, активно захватывающей растворенные в воде металлы. Осаждение новообразующейся минеральной фазы обуславливает значительное снижение концентраций металлов в воде и их захоронение в донных отложениях.

Прекращение известкования водного покрытия приведет к снижению рН и ионной силы воды, покрывающей хвосты. В качестве меры, предотвращающей значительное снижение рН водной среды и обеспечивающей более устойчивый физикохимический режим водного слоя хвостов, в хвостохранилище создается регулируемый приток низкоминерализованной воды от поверхностной гидросети. Актуальным вопросом в этой связи становится проведение исследования, направленного на моделирование поведения металлов, иммобилизованных из водной среды и поглощенных минеральной фазой, образовавшейся в результате предшествующего известкования водоема.

Исследовалось поведение металлов, находящихся в водной среде и в кальцито-гипсовых отложениях при изменении физико-химических условий в результате смешивания вод различной минерализации, а также проводилась оценка степени экологического риска при возможной мобилизации поглощенных металлов.

Полученные в работе [7] зависимости поведения тяжелых металлов в придонной части хвостохрани-лища говорят в пользу применения предложенного метода водного покрытия данной территории в целях ее геохимической устойчивости для решения проблемы чистого природопользования.

Как можно видеть из приведенного анализа ре-культивационной практики, существует насущная

потребность в решении вопросов восстановления нарушенных и загрязненных земель, вместе с тем -достаточное количество перспективных разработок и научно обоснованных путей и методов осуществления рекультивации и ремедиации. Однако, для широкого внедрения эффективных и экономически

приемлемых технологий рекультивации необходимо проведение мониторинга горнопромышленных объектов, геолого-экологической оценки, и применения последних достижений в области геомеханики, геохимии, математического моделирования.

----------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Государственный доклад о состоянии окружающей природной среды Российской Федерации в 2000 году. Мин. прир. ресурсов РФ. - М., 2001.

2. Пойкер Культурный ландшафт: формирование и уход (пер. с нем.) - М.: Агропромиздат 1987.

3. Гальперин А.М. Ферстер В. Шеф Х.Ю. Техногенные массивы и охрана окружающей среды - М.: МГГУ.1997.

4. Щербакова Е.П. Обоснование экологических критериев формиро-

вания техногенных месторождений. Тез .докл. ХП Межд. совещания. РАН, Министерство природных ресурсов, -М., 2000.

5. Антоненко Л.К. Зотеев В. Г. Проблемы переработки и захоронения отходов горно-металлургического производства. Горный журнал. МГГУ №2.1999.

6. Widerlund, A. Holmstrom, H, Ohlander, B. andAndersson, A. 2001. Flooding of sulphidic mine tailings as a remediation method at Kristineberg, northern Sweden. In: Proceedings of

Securing the Future, International Conference on Mining and the Environment, June 25 - July 1 2001, Skelleftee, Sweden, vol. 2: 906 - 914.

7. Widerlund, A. Shcherbakova E.Forsberg J, Holmstrom, H, Ohlander, B. ” Laboratory simulation of flocculation processes in a flooded tailings impoundmtnt at the Kristineberg Zn-Cu mine, northern Sweden, Geo-chim.Cosmochim.Acta (in a press).

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ ---------------------------------------

Щербакова Е.П. - Московский государственный горный университет.

© О.А. Ролина, 2003

УАК 658.567.1

О.А. Ролина

ПРОГНОЗ И ВОЗМОЖНОЕ ИНЖЕНЕРНОЕ РЕШЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПОСЛЕАСТВИЙ ПРИ ЛИКВИААНИИ КАРЬЕРОВ УШАКОВСКОГО РАЗРЕЗОУПРАВЛЕНИЯ

Ушаковское разрезоуправление включает в себя разрезы: Кимов-ский, Грызловский, Ушаковский, Богородицкий и Липковский. Разрезы расположены в разных административных районах Тульской области на значительном расстоянии друг от друга. В пределах каждого разреза отработка производилась по участкам, имеющим, как правило, небольшие размеры (около 1 км в поперечнике). После отработки участка водоотлив из понизитель-

ных скважин и из траншей прекращался и участок затапливался.

О негативном влиянии открытых горных работ на разрезах стало известно в 70-е годы, в особенности ликвидированных отработанных участков. В процессе экологических исследований, проведенных на одном из ликвидированных участков 6-го Восточно-Люторического месторождения в пределах Кимовского угольного разреза бывшим

ВНИОСуглем, ныне МНИИЭКО-ТЭК были установлены "мертвые" техногенные водоемы, содержащие воды с кислой средой (рН до 2,7), повышенной минерализацией (более 2 мг/л), аномальным содержанием

сульфатов (до 1500 мг/л) и железа (до 140 мг/л). В таких водоемах отсутствует животный и растительный миры. Было выявлено также загрязнение поверхностных и подземных вод сульфатами и железом и высказано предположение о решающей роли пирита в отвалах на образование кислых вод. Кроме того, на одном из водоемов было проведено известкование, которое не дало видимых результатов.

Поэтому с 70-х годов вскрышные породы, до этого складировавшиеся в случайном порядке, стали складироваться во внутренние отвалы в следующем порядке: в основание поме-