Рекультивация гидроотвалов вскрышных пород на разрезах Кузбасса

- © В.П. Жариков, 2012

УДК 622.272:622.693.25 В.П. Жариков

РЕКУЛЬТИВАЦИЯ ГИДРООТВАЛОВ ВСКРЫШНЫХ ПОРОД НА РАЗРЕЗАХ КУЗБАССА

Рассмотрены инженерно-геологические и экологические условия гидроотвалов и отвалов «сухих» пород, установленыI хорошие агрофизические свойства и плодородие слагающих их пород, предложено производить рекультивацию гидроотвалов нанесением на из поверхность отвальных насыпей. Ключевые слова: рекультивация, гидроотвалы!, отвальные породыI.

Лобыча угля в Кузбассе сопровождается изъятием из сфер лесного и сельскохозяйственного производства значительных территорий, при этом на долю открытой разработки приходится около 80 % нарушенных площадей, из которых большая часть занята открытыми горными выработками-разрезами и отвалами вскрышных пород. Отвально-разрезные комплексы простираются на многие километры, занимают площади от десятков до тысяч гектаров и представляют собой основные объекты рекультивации. Одной из важнейших научно-технических задач при этом является обоснование рекомендаций по рациональному ведению ре-культивационных и горных работ для создания комплексных горнотехнических сооружений, например, отвалов и гидроотвалов в горных выработках, отвалов на гидроотвалах, а также отвалов, отсыпанных на гидроотвалах, намытых в горных выработках. Подобные комбинации позволяют не только разместить на изъятых для нужд горного производства территориях дополнительные объемы вскрышных пород, но и выполнить их горнотехническую рекультивацию. Это особенно важно при решении вопроса рекультивации гидроотвалов вскрыш-

ных работ, которые длительное время из-за низкой несущей способности намывных пород не доступны для производства специальных работ с применение сельскохозяйственного и рекультивационного оборудования. Одним из путей его решения является отсыпка на поверхности намывного массива слоя из достаточно прочных пород в виде «сухого» отвала, поверхность которого обеспечит доступ оборудования для выполнения рекультивации.

Обоснование рекомендаций по рекультивации конкретных отвальных объектов требует исходной информации об инженерно-геологических и экологических условиях формирования отвальных массивов, которые во многом определяются составом вскрышных пород. Для условий разрезов Центрального Кузбасса, разрабатывающих угольные пласты кольчугинской серии верхней перми, вскрышная толща представлена покровными отложениями (суглинками и глинами) неоген-четвертичного возраста и уг-левмещающими породами: песчаниками, алевролитами, аргиллитами. В результате буровзрывных, экскаваторных, транспортных операций породы подвергается первичной техногенной дезинтеграции, утрачивая ес-

тественное строение, состояние и свойства. При их размещении в отвалы происходит дальнейшая гравитационная сортировка материала, приводящая к созданию неоднородных техногенных массивов, характеризующихся специфическим строением, составом, состоянием и свойствами пород. В условиях Кузбасса наиболее часто встречаются «сухие» отвалы, сложенные дресвяно-щебенис-тым, реже дресвяно-щебенисто-глыбо-вым породами, в которых промежутки заполнены более мелкодисперсным материалом покровных отложений. Инженерно-геологические условия насыпных техногенных массивов определяются процентным соотношением материалов, поступающих в отвал, их

составом, временем существования и интенсивностью процесса биохимического выветривания. Физико-механические свойства отвальных пород приведены в табл. 1.

При выветривании породы в отвалах преобразуются в так называемый техногенный элювий, который по составу можно разделить на три группы:

1) пески и супеси, образовавшиеся в процессе выветривания песчаников и песчанистых алевролитов;

2) супеси, легкие и средние суглинки, образовавшиеся при выветривании алевролитов и известняков;

3) покровные суглинки и глины нарушенного сложения, а также суглинки, образовавшиеся при выветривании аргиллитов.

Таблица 1

Физико-механические свойства отвальных пород

№ п/п Наименование порол, состав обломков и заполнителя Угол внутрен. трения, грал. Сцепление, МПа Плотность, т/м3

Свежеотсыпанные отвальные породы

1 Песчаники 30—32 0,005 1,8—1,85

2 Алевролиты 26—30 0,005 1,8—1,85

3 Смесь песчаников, алевролитов и аргиллитов 28—32 0,005 1,8—1,85

4 Суглинки 10—21 0,01—0,015 1,85—1,95

5 Смесь обломочного материала и суглинка 10—28 0,01—0,015 1,8—1,95

Насыпные породы, измененные в отвалах

6 Пески и супеси, образовавшиеся из песчаников и алевролитов 26—30 0 1,75—1,8

7 Супеси и суглинки, образовавшиеся из алевролитов и известняков 18—24 0,005—0,01 1,8—1,9

8 Суглинки и глины нарушенного сложения, а также суглинки, образовавшиеся из аргиллитов 10—21 0,01—0,015 1,85—1,95

Процесс биохимического выветривания отвальных пород идет медленно, тем не менее, при морфологическом анализе шлифов, приготовленных из пород, отсыпанных в отвал 510 лет тому назад, отмечаются некоторые признаки, свидетельствующие о его развитии: появление каолинизации и серицитизации полевых шпатов; гидратации, обесцвечивания и аморфизации слюд (биотита); образование натечных форм глинистых минералов. Однако изменения эти не столь значительны, чтобы говорить о серьезных гранулометрических и минеральных преобразований состава отвальных пород, поэтому они в сооружениях продолжают находиться в виде каменисто-щебенистого материала с суглинистым заполнителем. Хотя некоторые зоны техногенных насыпных массивов, в частности, верхняя их часть может достигать состояния «техногенного элювия».

Изучение агрохимических свойств пород вскрыши показало, что все породы не содержат водорастворимых солей в концентрациях токсичных для растений, характеризуются слабощелочной и нейтральной реакцией среды (рН=7,2—7,8). Емкость поглощен-

ных оснований составляет 18,3—28,6 мг-экв/100 г породы, что при наличии карбонатов кальция указывает на низкую емкость исследуемого субстрата. Изменение данного показателя в указанных пределах определяется количеством глинистой фракции и органического вещества. Наличие последнего связано в большей степени с включениями во вскрышных породах частиц угля разной степени окислен-ности. Известно, что присутствие угля в породах повышает процент органического вещества в них и увеличивает потенциальное плодородие техногенного элювия, мобилизуясь современной растительностью не сразу, а постепенно и медленно. Другие химические свойства техногенного элювия приведены в табл. 2 в сравнении со свойствами естественных почв, характерных для данного района. Следует отметить, что исследуемый техногенный элювий и отвальные породы имеют неплохие показатели плодородия — содержание гумуса и подвижных форм основных элементов питания. Это позволяет сделать вывод о том, что вскрышные породы в отвалах пригодны для выращивания многолетних трав и деревьев.

Таблица 2

Агрохимические свойства пород Центрального Кузбасса

Гумус Азот об- Сумма по- Гидроли- рНкс! Р2О5

(по Тюрину), % щий (по Кьельла-лю), %, глощенных оснований, Мг-экв на 100 г тическая кислотность, Мг-экв На 100 г (по Чи-рико-ву), Мг/кг почвы

Глубина отбора образца, см

к2о

(по Чи-рико-ву), Мг/кг почвы

Чернозем выщелоченный

0—30 7,9 0,54 48,0 3,6 6,0 110 180

30—45 6,0 0,30 40,2 3,7 6,0 100 145

Техногенный элювий вскрышных пород

0—20 4,0 0,25 25,6 2,3 7,0 100 150

20—45 2,9 0,20 22,1 2,2 7,6 90 120

Гидроотвалы вскрышных пород представляют собой достаточно слож-ные техногенные системы, включающие искусственно созданные дамбы, намывные массивы, поверхностные водоемы. Большая часть слагающих их пород характеризуется повышенной влажностью, пористостью, сжимаемостью и низкой плотностью, прочностью и несущей способностью, что делает поверхности намывных сооружений длительное время недоступными для выполнения рекультивационных, горных, сельскохозяйственных и других видов работ (табл. 3).

Специальные исследования намывных отложений производились для условий гидроотвала на реке Черновой Уроп. Они включали отбор проб и их изучение в лабораторных условиях с целью установления агрофизических свойств (табл. 4).

Исходя из специфики биоклиматической обстановки района и сооружения, а также результатов анализа почвенных образцов, территорию гидроотвала следует разделить на три участка, почвенно-экологические условия которых будут способствовать развитию тех или иных групп лесных насаждений.

Таблица 3

Физико-механические свойства намывных пород Центрального Кузбасса

Физико- Песчано- Суглинистая зона Глинистая зона

механич. свойства супесчаная зона Ползоны порол по консистенции Ползоны порол по консистенции

текучих мягко-пластич. туго-пластич. текучих мягко-пластич. туго-пластич.

Влажность, % 14—30 27—40 24,5— 31,4 22,1— 26,3 37— 100 31—38 28— 31

Плот-ность,т/ м3 1,7—2,1 1,8— 1,92 1,9— 2,0 2,0—2,02 1,61— 1,88 1,88— 1,96 1,96— 2,01

Пористость, % 33,7— 43,7 44— 52,5 38,5— 46,6 40—41,6 50—71 44,5— 50 41— 44

Угол

внут. тре-ния,град 25—32 14—23 19—25 22 0—6 8—16 8—16

Сцепление, МПа 0,013— 0,055 0,015— 0,026 0,023— 0,043 0,04— 0,063 0,005— 0,015 0,015— 0,035 0,04— 0,06

К-т сжи- мае-мости, см/кг2 0,06— 0,008 0,14— 0,04 0,08— 0,02 0,02— 0,009 0,1— 0,03 0,03— 0,01

К-т фильт-раци-им/сек 10-4—10-8 10-8—10-9 10-10—10-11

Таблица 4

Агрохимические свойства намывных пород

Наиме- Гумуспо рН Погло- К2О Р2О5 СО2 СаСОз

нова- Тюрину, щение Мг на 1кг почвы %

ние по- % основа-

род ния, мг-экв на 100 г

Супесь 1,02 8,1— 8,7 17,6— 23,4 37—49 50—75 3,7—5,7 8,4— 13,0

Сугли- 0,84 8,5— 21,2— 80—96 18—25 5,5—6,4 12,4—

нок 8,8 24,2 14,6

Глина 0,34—0,63 8,7— 8,8 22,6— 29,0 2—4,6 8,5—14,5 4,4—7,2 8,95— 14,8

Первый участок географически приурочен к песчано-супесчаной зоне гидроотвала и занимает примерно 10 % обшей плошади. Характеризуется более легким гранулометрическим составом пород и относительно глубоким уровнем грунтовых вод (от 2 до 6 м). По этой причине почвообразование здесь протекает по полугидро-морфному типу. Породы практически не содержат легкорастворимых солей в дозах, достигаюших порога токсичности. Плотный остаток не превышает 0,2 %. Состав растворов преиму-шественно гидрокарбонатно-суль-фатно-кальциевый с содержанием Са(НСОз)2 — 0,3—0,5 и СаЭ04 — 0,3—1,2 мг-экв/100 г субстрата. Химические и агрохимические свойства субстратов вполне благоприятны для произрастания древесных и кустарниковых культур. Значительная кар-бонатность пород и, соответственно, повышенная их шелочность (значение рН около 8,5) вносят некоторые коррективы в выбор древесных и кустарниковых культур, в частности, в пользу растений, требовательных к повышенному уровню элементов зольного питания в субстрате (береза, липа, клен и др.).

Второй участок приурочен к зоне суглинистых пород, занимаюшей 30 % поверхности гидроотвала, характери-

зуется более тяжелым гранулометрическим составом. Почвенно-экологи-ческие условия данного участка зависят от уровня грунтовых вод, который располагается на глубинах от 1 до 3 метров. По этой причине почвообразование здесь протекает в гидро-морфном режиме. Изученные параметры, характеризуюшие химические и агрохимические свойства субстратов, позволяют отметить, что почвенные условия данного участка принципиально не отличаются от рассмотренных выше. Наблюдается только различие в гранулометрическом составе. Поэтому при выборе древесных и кустарниковых культур опреде-ляюшим условием также является их отношение их к воде. По этой причине здесь могут произрастать только мезогигрофиты (осина, тополь, черемуха и др.).

Третий участок приурочен к ядерной зоне гидроотвала, сложенной глинистыми породами и занятой в на-стояшее время водоемами и заболоченными участками. Почвенно-эко-логические условия здесь определяются тяжелым гранулометрическим составом пород, позволяюшим их отнести к глинам. Наблюдаются повышенные значения влажности и пористости, свидетельствуюшие о слабой уплотненности намывного массива.

По причине расположения на данном участке водоема здесь могут произрастать болотные гигрофиты.

Проведенный анализ почвенно-геохимической обстановки на гидроотвале позволяет отметить, что намывные породы гидроотвала ни по одному из определенных параметров не являются токсичными. Неоднородность массива по гранулометрическому составу и низкая водопроницаемость пород обусловливает их значительное увлажнение, поэтому условия для роста и развития древесных пород на поверхности гидроотвала могут быть удовлетворительны только при проведении мероприятий по гидромелиорации, которые весьма трудоемки и требуют значительных затрат.

Подводя итог анализу инженерно-геологических и агрофизических свойств намывных пород, следует отметить, что породы намывных массивов по несушей способности не обеспечивают проходимости горнотранспортного и сельскохозяйственного оборудования, передвижение которого по поверхности необходимо для выполнения рекультивационных работ. Для обеспечения данного условия на поверхность гидроотвала можно нанести насыпь из достаточно прочных вскрышных пород в виде отвала «сухих» пород.

Отсыпка отвалов «сухих» пород на гидроотвалах в Кузбассе осушествля-ется с момента завершения эксплуатации первых гидроотвалов. Она вызвана дефицитом земель для разме-

шения пород вскрыши. Обоснование рекомендаций по параметрам и технологии отвалообразования на гидроотвалах предполагает выполнение для каждого сооружения специальных исследований, результаты которых служат основой для обоснования максимальных параметров природно-техногенной системы «отвал+ гидроотвал». После завершения отвальных работ на намывном сооружении его поверхность планируется, иногда отсыпается слой их плодородных пород и осушествлялась посадка древесных и кустарниковых культур (облепихи, сосны). В большинстве случаев никаких работ не выполняется и происходит достаточно быстрое самозарастание поверхности отвала, так как техногенные породы имеют достаточно хорошие агрофизические свойства и плодородие. Таким образом, отвало-образование в таких условиях являлось этапом рекультивационных работ.

Следует рассматривать два случая размешения отвалов «сухой» вскрыши на гидроотвалах: 1) отсыпка максимально возможных объемов пород при оптимальных параметрах сооружений (высоте и результируюшем угле откоса); 2) отсыпка слоя пород из относительно прочных и проницаемых пород минимальной мошности, обеспечиваюших проходимость оборудования по поверхности сооружения и создание благоприятных гидрогеологических условий для произрастания определенных видов растительности. шиз

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -

Жариков В.П. - Угольная компания «Кузбассразрезуголь», office @kru.ru