Детехногенезация отвалов ликвидированных шахт с учетом геодинамических условий

© В.Ю. Каплунов, 2013

УДК 577.4:622.882 В.Ю. Каплунов

ДЕТЕХНОГЕНЕЗАЦИЯ ОТВАЛОВ ЛИКВИДИРОВАННЫХ ШАХТ С УЧЕТОМ ГЕОДИНАМИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ*

До начала ликвидации шахт на территориях в угольных регионах России сформировались неблагоприятные антропогенные условия. Основным негативным фактором, оказывающим влияние на окружающую среду, определено отвалообразо-вание. В ходе ликвидации угольных производств требуется деатехногенезация отвалов. При этом необходим учет геодинамических условий окружающей их среды. Ключевые слова: антропогенез, шахты, детехногенезация, отвалы, геодинамические условия

Ликвидация шахт осуществлялась в основном методом затопления по программе реструктуризации угольной промышленности (начата в 1993 г.). К настоящему времени они полностью закрыты, в основном завершены работы по ликвидации горных выработок и ведутся работы по устранению ранее накопленных негативных экологических последствий на 188 шахтах.

На основе утвержденных 118 проектов ликвидации 203 технических единиц разрабатываются, утверждаются и реализуются рабочие проекты.

В принятых документах, регламентирующих вопросы охраны окружающей среды применительно к процессу реструктуризации практически не применяется терминология в контексте антропо- и техногенеза, что не вполне корректно. Использование в разработках терминов и определений в контексте «ликвидации экологических последствий закрытия шахт и разрезов» предполагает необходимость оперировать оценками и дан-

ными именно об экологических следствиях процесса закрытия угольных предприятий. При этом, по сути, могут возникнуть ложные объекты и субъекты для исследовательских работ, так как комплекс запланированных мер и природоохранных работ в основном связан с деятельностью по ликвидации «старых» накопленных антропогенных отходов.

Анализ складывающейся экологической ситуации свидетельствует о неоднозначности влияния ранее накопленных антропогенных отходов на среду районов в процессе массового закрытия угледобывающих предприятий. Поэтому, представляются актуальными исследования и методические рекомендации, связанные комплексными оценками техногенного влияния отвалов на состояние окружающей среды по всем угольным регионам России. Только после этого возможно научно обоснованно разработать и предложить эффективные меры по детехно-генезации отвалов и санации территорий в угольных бассейнах и регионах.

* Выполнено в рамках реализации госконтракта ФЦП «Научные и педагогические кадры инновационной России» на 2009-2010годы, ГК №П1406.

В ходе полевых исследований (2010 г.) выявлена следующая особенность.

С одной стороны (статическое состояние), после прекращения производственной деятельности и остановки технологических процессов, ликвидированы стационарные и передвижные антропогенные источники. А значит и масштабные негативного влияния на окружающую среду. При этом выведены из оборота источники выбросов загрязняющих веществ в атмосферу с вентиляционными потоками, а также сбросов таких веществ в водные объекты; прекращено изъятие из землепользования и нарушение земель, а также выдача и размещение в породных отвалах вскрышных (вмещающих) пород; сокращено влияние отрицательных факторов горного хозяйства на окружающую среду. Все это обусловило установления статуса «кво» по техногенным нагрузкам, но не более этого.

С другой стороны (динамическое состояние), техногенные нагрузки, в силу динамических трансформаций ранее образованных отходов, сохраняют негативный потенциал из-за оставленных нарушенных и деградированных земель, накопленных твердых и жидких отходов, горящих террико-ников, и самоизливов с них на прилегающие территории и в водные объекты. Уже в ходе работ по ликвидации экологических последствий установлено проявление и влияние на среду в районе шахт вторичных техногенных факторов.

Такой тип техногенеза — следствие изначальных негативных гидрогеологических трансформаций и обусловленных ими разрушений, имеющих геодинамическую природу.

К моменту закрытия шахт не было выполнено необходимых и достаточных работ по локализации, нейтрализации и ликвидации экологических нарушений и трансформаций для обеспечения норм и требований согласно Федерального закона об охране окружающей среды.

Именно из-за оставленных к моменту закрытия шахт остаточных антропогенных объемов и объектов (в том числе химически активных), активировались техногенные реакции. Такие реакции оказались возможными, в основном, вследствие проницаемости породных массивов и изменения характера нагрузок на компоненты природной среды.

По ряду причин, закрытие шахт и разрезов методом затопления сопровождается возникновением нетипичных проявлений и процессов в при-родно-техногенной среде, которых не было в период эксплуатации угольных месторождений. Установлено, что влияние объектов поверхностного и подземного комплекса закрытых шахт имеет геоэкологическую природу, ландшафтные изменении происходит в ходе геохимических трансформаций почвы и геологической среды. Единицы трансформации — «трансформы», характеризует форму преобразования в зависимости от факторов воздействия на гео-объекты и возникающих при этом последствий (реакций).

Масштабы трансформации определяются качественно количественными характеристиками преобразований. Для их определения необходима разработка формата, характеризующего факторы негативного воздействия на окружающую среду ликвидированных убыточных шахт и других предприятий угольной отрасли.

Проблемные направления обусловлены факторами негативного воздействия на природную среду (основные факторы представлены в следующей таблице [1, 2, 3] — с дополнениями.

При многообразии факторов влияния на компоненты окружающей природной среды (что следует из вышеприведенной таблицы), основные отрицательные проявления обусловлены техногенезом отвалообразования и динамикой трансформаций отвалов.

На момент начала реструктуризации ежегодное образование твердых отходов добычи и переработки угля (сланца)составляло порядка 900 млн.м3. Большую часть из этого объема составляли вскрышные (вмещающие) породы. Использовалось только около 440 млн.м . При этом наибольшие объемы вскрышных пород и отходов обогащения образовывались на предприятиях Кузбасса — 46 % от общеотраслевого показателя.

По нашим оценкам, к настоящему времени накоплено и заскладировано в отвалы порядка 15 млрд т твердых отходов.

Результаты предварительного исследования состояния объектов (прямой и косвенный учет), анализ основных показателей характеризующих их негативные воздействия на окружающую среду позволили сделать вывод о наибольшем техногенезе от породных масс отвалов (террикоников).

Изучение литературных источников, научных отчетов и другой профессиональной информации показало, что к настоящему времени все имеющиеся разработки были связаны в целом с:

— экологизацией угольного производства;

— реализацией природоохранных мер, а так же мероприятий по ликви-

дации экологических последствий по условиям закрытия шахт и разрезов.

Тематический поиск работ по вопросам детехногенезации показал (включая Интернет поиск), что в таком направлении работ не проводилось.

Отходы производства осложняют экологическую обстановку в районах размещения шахт, разрезов и обогатительных фабрик, отрицательно влияют на экономические показатели работы угольных предприятий в связи со значительными затратами на их сбор, размещение и хранение.

Неиспользуемые отходы занимают значительные территории и представляют собой источники негативного воздействия на окружающую среду. Опасность этих источников многократно возрастает в случае их самовозгорания. Одним из главных направлений снижения отрицательного воздействия угольной отрасли на окружающую среду и повышения уровня природопользования является использование отходов производства и потребления.

Из-за комплексного типа воздействия техногенных факторов отвалов на компоненты окружающей среды (подземные и поверхностные воды, земную поверхность, атмосферный воздух) происходит концентрирование потоков веществ с негативными проявлениями в пространствах подземной и поверхностной среды. Из-за отсутствия биологически активных буферных барьеров для таких потоков, возможно их переформирование с последующей разгрузкой загрязняющих веществ в окружающую природную среду. В результате возможны непрогнозируемые качественные изменения состава подземных вод вследствие их загрязнения, сдвижения породных массивов.

Таблица 1

Основной формат факторов негативного воздействия на окружающую природную среду ликвидируемых нерентабельных предприятий угольной промышленности

Факторы негативного воздействия на окружающую среду ликвидируемых предприятий Элементы окружающей природной среды - объекты негативного воздействия Характер негативного экологического воздействия и виды нарушений и загрязнений окружающей природной среды Оценка влияния породных масс отвалов <+)-Да (-)- Нет Интегральные факторы, отражающие негативные экологические последствия ликвидации предприятий

1. Прекращение производственной деятельности закрываемых угольных шахт Природный ландшафт Образование техногенного ландшафта, выведенные из эксплуатации и неиспользуемые промпло-щадки, подъездные железнодорожные пути, технологические автодороги, ЛЭП, линии связи, трубопроводы, производственные здания и сооружения + Экологический, ухудшение общее экологической ситуации в районе закрываемой шахты Социальный — ухудшение среды обитания, условий жизни, труда и отдыха населения. Экономический — затраты на снос зданий и сооружений, ликвидацию коммуникаций, рекультивацию территории, восстановление природного ландшафта

Подземные воды Проникновение в водоносные горизонты шахтных вод, загрязненных минеральными солями, нефтепродуктами, фенолами, железом, микроэлементами, бактериями и микроорганизмами, загрязнение подземных источников хозяйствен-но-питьевого водоснабжения + Экологический — загрязнение подземных вод, которые могут быть использованы в будущем в народнохозяйственных целях. Социальный — ухудшение качества питьевой воды из подземных водозаборов. Экономический — затраты на доочист-ку питьевой воды, поиск и освоение новых источников хозяйственно-питьевого водоснабжения

Продолжение табл. 1

Факторы негативного воздействия на окружающую среду ликвидируемых предприятий Элементы окружающей природной среды - объекты негативного воздействия Характер негативного экологического воздействия и виды нарушений и загрязнений окружающей природной среды Оценка влияния породных масс отвалов <+)-Да (-)- Нет Интегральные факторы, отражающие негативные экологические последствия ликвидации предприятий

2. Затопление горных выработок и выработанного пространства шахт Поверхностные воды Свободные изливы на поверхность шахтных вод, загрязненных минеральными солями, нефтепродуктами, фенолами, железом, микроэлементами, бактериями и микроорганизмами, загрязнение воды, русел и берегов природных водотоков и водоемов при их сбросе, подавление флоры и фауны + Экологический — ухудшение качества воды в природных водотоках и водоемах хозяйственно-питьевого, культурно-бытового и рыбохозяйтвенного назначения. Социальный — ухудшение качества литьевой воды из поверхностных водозаборов, снижение рыбохозяйетвенной ценности водотоков и водоемов, ухудшение условий отдыха населения. Экономический — затраты на очистку изливающихся шахтных вод, доочистку питьевой воды из поверхностных водозаборов

Земная поверхность Сдвижение земной поверхности, образование прогибов, просадок, провалов, разрушение зданий и сооружений, дорог, трубопроводов, ЛЭП и линий связи и других объектов, подтопление и заболачивание подработанной территории + Экологический — ухудшение ландшафта и обшей экологической ситуации. Социальный — ухудшение жизненных условий, снижение урожайности сельскохозяйственных культур, гибель лесов. Экономический — затраты на ремонт, снос и новое строительство промышленных и гражданских объектов, засыпку прогибов, просадок, провалов, планировку и рекультивацию нарушенных территорий, предупреждение и ликвидацию подтопления и заболачивания территорий

Атмосферный воздух Вытеснение метана и других вредных газов из угольного массива, затапливаемых горных выработок и выработанного пространства, выход газов на поверхность, скопление в колошах, подвалах производственных и жилых зданий и помещений + Экологический — загрязнение атмосферного воздуха, воздействие на озоновый слой и создание парникового эффекта Социальный — угроза взрывов и отравления населения, неблагоприятное влияние на здоровье населения Экономический — затраты на организацию мониторинга и проведение профилактических и защитных мероприятий

Ландшафт. Земельные ресурсы Изъятие из землепользования значительных территорий, образование техногенного ландшафта + Экологический - загрязнение прилегающей территории токсичными веществами через поверхностные стоки и атмосферу. Социальный - ухудшение качества среды обитания, неблагоприятное воздействие на здоровье населения. Экономический - затраты на разработку и ликвидацию накопителей, рекультивацию занимаемой ими и окружающей территории, восстановление природного ландшафта

3. Накопители отходов (породные отвалы, открытые угольные склады, шламо-и илона- копители, отстойники и техногенные водоемы) Атмосферный воздух Образование и выделение пыли и газообразных вредных веществ (оксидов серы, азота, углерода, углеводорода, сероводорода, бен-зпирена и др.), особенно при самовозгорании накопителей отходов + Экологический - загрязнение атмосферного воздуха, в том числе в близлежащих населенных пунктах Социальный - ухудшение жизненных условий, неблагоприятное воздействие на здоровье населения Экономический - затраты на проведение профилактических мероприятий и тушение горящих накопителей отходов

ел Окончание табл. 1

О! _

Факторы негативного воздействия на окружающую среду ликвидируемых предприятий Элементы окружающей природной среды - объекты негативного воздействия Характер негативного экологического воздействия и виды нарушений и загрязнений окружающей природной среды Оценка влияния породных масс отвалов <+)-Да (-)- Нет Интегральные факторы, отражающие негативные экологические последствия ликвидации предприятий

Водные ресурсы Образование стоков, загрязненных вредными веществами + Экологический - загрязнение подземных и поверхностных вод, ухудшение экологической ситуации Социальный - снижение качества питьевой воды из подземных и поверхностных водозаборов в зоне влияния накопителей отходовЭкономический - затраты на сбор и очистку стоков, проведение мероприятий по снижению и прекращению инфильтрации в подземные горизонты

Земельные ресурсы Непригодность земель для сельскохозяйственного, лесохозяйст-венного, водохозяйственного и других видов землепользования, образование техногенного ландшафта + Экологический - ухудшение экологической обстановки Социальной - потери и снижение качества сельскохозяйственной продукции, лесных запасов Экономический - затраты на рекультивацию и восстановление биологической продуктивности нарушенных, загрязненных и деградированных земель

Результаты анализа в сфере обращения отходов позволяют заключить, что при сокращающейся доли использования отходов угольного производства и тенденции роста их образования (при условии сокращения доли органических включений в органо-минеральной части отходов) возрастают риски событий с возгоранием отвалов. Поэтому необходимо определять стратегические направления работы для значительного сокращения вредного влияния отходов предприятий угольной отрасли на окружающую среду.

По результатам поискового исследования был выделен и систематизирован комплекс задач, требующих рассмотрения и решения по проблеме детехногенезации отвалов и прилегающий к ним среды в районе ликвидированных шахт России.

Среди основных научных задач выделены следующие:

— проблемные, — обусловленные динамикой изменений в отвальном хозяйстве по условиям закрытия шахт в ходе реструктуризации угольной промышленности России;

— методические, — разработка методики изучения техногенезиса отвалов ликвидированных шахт в углепромышленных регионах России и разработка научно-методических основ геотехногенного районирования среды по местоположению техноген-но опасных масс пород;

— технико-технологические, — разработка научно-техногенных и технологических решений, рекомендаций для обеспечения детехногене-зации отвалов ликвидированных шахт России

— практические, — реализация разработанных научно-методических и технико-технологических решений

(на примере отвального хозяйства одного из углетехногенных регионов с массовым закрытием шахт).

В результате ранжирования имеющихся отечественных нормативно-методических и исследовательских разработок для угольной отрасли оказалось возможным определить ту часть из них, которую можно рассматривать в качестве актуальной для использования при разработке темы. Среди них: «Технологические схемы рекультивации терриконов и плоских породных отвалов шахт и обогатительных фабрик», 1981; «Методические указания по проектированию рекультивации нарушенных земель на предприятиях угольной промышленности», 1993; «Типовые технологические схемы рекультивации техногенных ландшафтов при добыче угля открытым и подземным способом», 1994; «Технологические решения по рекультивации нарушенных земель при ликвидации шахт и разрезов», 2002; Отчет по НИР «Разработка технологических схем формирования пожаробезопасных параметров отвалов и технологии тушения существующих», 2006.

Для поиска эффективных способов и средств обеспечения экологической безопасности отвалов требовалось провести поисковые исследовательские работы.

Предварительные результаты такой работы показывают актуальность детехногенезации отвалов за счет использования современных способов, приемов, материалов, технических средств формирования, тушения и профилактики самовозгорания породных отвалов, а также реализации комплекса мер по их утилизации.

Систематизированные способы и приёмы профилактики самовозгора-

ния позволят сократить время и затраты на разработку проектов по формированию и тушению породных отвалов, а также для выбора решений по обеспечению их эффективной рекультивации.

В результате систематизации материалов определились базовые приемы, способы, средства механизации, при разработке технологических схем формирования и тушения отвалов. При этом конкретные технологические схемы для практики должны максимально учитывать опыт, и осуществляться еще и с максимальным учетом особенностей местных условий: прежде всего состояния отвала с точки зрения возможности обеспечения минимальных, но достаточно надежных и обеспечивающих безопасность видов работ, проводимых по предотвращению самовозгорания, тушению и предотвращению негативного влияния на окружающую среду и здоровье населения прилегающих населенных пунктов.

Результатом реализации методических подходов и разработок, имеющим

практическое назначение, явились «Технико-технические решения по формированию пожаробезопасных параметров отвалов, технологии тушения существующих, а также рекультивации». Данные решения должны применяться при разработке проектов формирования новых и реконструкции действующих отвалов, разработки проектов тушения горящих породных отвалов и их рекультивации, выполняемых в ходе работ по ликвидации последствий закрытия шахт и разрезов. Научно-техническими, а также социально-экономическими требованиями и критериями разрабатываемых решений должны быть: научные — соответствовать мировому уровню; технические — учитывать требования действующего законодательства и возможности использования существующих видов технологического и горнотранспортного оборудования; экологические — не оказывать сверхнормативного вредного воздействия на окружающую среду; экономические — обеспечивать снижение затрат на выполнение работ.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Методические принципы организации работ по геоэкологической и эколого-экономической оценке ситуации в угольных (сланцевых) регионах закрытия нерентабельных шахт (разрезов), а также результатов наблюдений, проводимых центрами экологического мониторинга ( ан примере закрываемых шахт в районе Ленинградского месторождения горючих сланцев) Каплунов В.Ю. г Сланцы — 2009.

2. Игошин В.М., Каплунов В.Ю. Об отходах угольной отрасли, проблемах их утилизации, складирования, формирования

пожаробезопасных отвалов, тушения и рекультивации. М., ЦНИЭИуголь, 2007. — 16 с

3. Экологический мониторинг при ликвидации шахт и разрезов /- под обшей редакцией А.П.Красавина,А.В.Навитнего, Ю.В. Каплунова,// автор.колл-тив: А.А. Харио-новский, В.Н. Васева, В.Ю.Каплунов и др. -Пермь МНИИЭКО ТЭК, 2010. — 315 с..

4. Попов В.Н., Харионоский A.A., Каплунов Ю.В. /В сб. Экологические проблемы при ликвидации шахт и разрезов. — Пермь: ФГУП МНИИЭКО ТЭК, 2001. — С. 18—

26. [ГШ

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ

Каплунов Валентин Юрьевич — студент, valentin-893@mail.ru, Московский государственный горный университет.