Разработка способа снижения опасности техногенных массивов

© Т.А. Петрова, Д.С. Корельский, 2012

УДК 502.65:622.276

Т.А. Петрова, Д.С. Корельский

РАЗРАБОТКА СПОСОБА СНИЖЕНИЯ ОПАСНОСТИ ТЕХНОГЕННЫХ МАССИВОВ

Произведена оценка негативного воздействия техногенных массивов на окружающую среду, предложены подходы к разработке методики комплексного экологического мониторинга и количественной оценки их воздействия на природную среду, а также разработан способ консервации заскладированных отходов.

Ключевые слова: техногенные массивы, мониторинг, способ консервации.

В результате формирования техногенных массивов отчуждаются значительные площади земель, подвергаются негативному воздействию компоненты природной среды, что приводит к формированию атмо -, гидро - и литохимических ореолов загрязнения.

При загрязнении через воздух на местности в районах техногенных массивов мигрируют вещества во взвешенном состоянии, газы или пары, которые проникают в почву, воздух или воду, либо непосредственно воздействуют на человека, растительный и животный мир.

В случае водного пути загрязненные фильтрационные, грунтовые и поверхностные воды проникают в водоемы, подземные воды, почву и грунты или непосредственно воздействуют на объекты экологической защиты. При взаимодействии с растительностью возможны другие пути распространения, связанные с цепочкой питания: воздух / грунтовые и поверхностные воды ^ почвы ^ растения / животные ^ питание и корма ^ человек.

Несмотря на высокую экологическую опасность техногенных массивов минерально-сырьевого комплекса

(МСК), в настоящее время отсутствуют методики комплексного экологического мониторинга, количественной оценки их воздействия на природную сред, а также отсутствует экологически эффективный и экономический выгодный способ снижения опасности техногенных массивов [1, 2].

Как правило, одной из основных задач при создании системы экологического мониторинга является снижение материальных затрат на ее обустройство и эксплуатацию.

Для разработки экономически целесообразной системы комплексного экологического мониторинга предлагается классифицировать техногенные массивы по степени их опасности в зависимости от величины вероятного эколого-экономического ущерба, наносимого ими компонентам окружающей среды на: техногенные массивы высокой экологической опасности (класс А); техногенные массивы средней экологической опасности (класс В); техногенные массивы низкой экологической опасности (класс С).

Для техногенных массивов класса А являются характерными следующие признаки: заскладированные

отходы содержат вещества 1, 2 класса опасности, с высокой миграционной способностью; компоненты природной среды имеют низкую защищенность; защитно-дренажные сооружения отсутствуют или малоэффективны; техногенные массивы располагаются в густонаселенной местности, в районах высокопродуктивных земельных угодий или особо охраняемых природных территорий и объектов.

Техногенные массивы класса В можно подразделить на две группы. Техногенные массивы 1-й группы, так же как и в предыдущем случае содержат токсичные соединения, миграционная способность которых ограничивается либо их химическими свойствами либо высокой природной или технической защищенностью компонентов природной среды и располагаются в районах повышенной экологической защиты. Для второй группы техногенных массивов характерно складирование токсичных загрязнителей в малонаселенных районах с низкопродуктивными угодьями и малозначащими ландшафтами.

Для предприятий МСК к техногенным массивам класса А и В относятся сульфидсодержащие отвалы и хвосто-хранилища, содержащие повышенные содержания тяжелых металлов; соле-отвалы; хранилища тонкодисперсных отходов обогащения и металлургического передела; хранилища, содержащие нефтепродукты.

Техногенные массивы класса С содержат, как правило, инертные отходы (отвалы вскрышных и вмещающих пород), располагающиеся вне населенных пунктов.

Снижение материальных затрат на ведение мониторинговых исследований, проводимых на территории расположения техногенных массивов

различной опасности, можно достичь созданием различных сетей наблюдения, отличающихся плотностью расположения точек отбора проб, набором контролируемых параметров и интенсивностью контроля.

На начальной стадии формирования системы комплексного экологического мониторинга для контроля территории расположения техногенного массива предлагается определять: объем и геометрические характеристики хранилища; геологическую структуру территории складирования отходов; состав отходов; гидрогеологическое строение.

Изучение объема и геометрических характеристик техногенного массива должно производится для всех классов опасности. При этом исследуются топография хранилища, космоснимки и старые топографические документы. Объем работ зависит от типа хранилища. Для хранилищ классов А и В производятся геофизические работы (сейсмо- или электроразведка) следующей чувствительности: сетка 100 м х 100 м как минимум с 2-мя перпендикулярными профилями для хранилищ класса А; сетка 250 м х 250 м как минимум с 2-мя перпендикулярными профилями для хранилища класса В.

Для хранилищ класса А и В производится бурение: 4 скважины на га для класса А; 1 скважина на га для класса В.

Геологическая структура территории определяется исходя из анализа карт и геологических документов, аэро - и космофотоматериалов. Кроме того, для техногенных массивов высокой и средней опасности производится геологическая съемка с использованием по периферии массива геофизических методов со следующей частотой: по всему периметру для класса А; как минимум — 1 профиль

на каждые 25 м периметра хранилища для класса В.

Для классов А и В производится бурение скважин по периметру: 1 скважина на каждые 250 м для класса А; 1 скважина на каждые 500 м для класса В.

Предлагаемые нормы не являются жесткими, частота профилей и скважин определяется сложностью геологической структуры хранилища. Скважины оснащаются пьезометрами для контроля (мониторинговая сеть) за состоянием территории во время эксплуатации хранилища после ее рекультивации.

Определение состава отходов предусматривает опробование и проведение анализов. Опробование является сложным процессом и в каждом конкретном случае производится по специально разработанной схеме.

Гидрогеологическое строение. Для всех типов хранилищ, в основном, гидрогеологическое строение определяется по существующим документам. Оно дополняется для хранилищ классов А, В и С гидрометеорологическим балансом, определениями дебитов инфильтрации и отбором инфильт-рующихся вод.

Для хранилищ классов А и В строится карта пьезометрической поверхности (по результатам наблюдений в скважинах) с отбором проб. Пробы должны отбираться по завершении цикла откачки после стабилизации проводимости воды. Отбор проб должен проводиться на различной глубине (для определения изменения состава воды на разной глубине).

Для получения репрезентативной информации о пространственной и временной изменчивости загрязнения воздуха, предварительно проводится обследование метеорологиче-

ских условий и характера пространственной и временной изменчивости загрязнения воздуха с помощью передвижных средств. Такой метод обследования называется рекогносцировочным.

После проведения рекогносцировочных исследований следует этап создания регулярной сети экологического мониторинга.

Формирование регулярной сети экологического мониторинга, то есть выбор месторасположения, и количества точек контроля за состоянием компонентов окружающей среды должно быть экологически обосновано и экономически целесообразно.

Для оценки реального уровня загрязнения компонентов окружающей среды в зоне воздействия техногенных массивов МСК возникает необходимость разработки картографических методов интерпретации полученной в результате рекогносцировочных мониторинговых исследований информации.

Предложенный метод интерпретации рекогносцировочных мониторинговых данных имеет следующую иерархию.

На первой стадии, при получении по каждой точке отбора проб атмосферного воздуха, подземных вод, почв данных о ее пространственной позиции (координатах), а также компонентному составу загрязнений, строится общая матрица, в которой каждая строка содержит порядковый номер объекта, его координаты, код объекта, а также представленные предприятием данные по концентрации и объему вредного компонента в выбросе.

Строка, характеризующая отдельный объект выбросов, завершается рассчитанным значением коэффициента суммарного загрязнения для ат-

мосферного воздуха, подземных вод и почв.

На второй стадии, строится общая карта пространственного распределения точек отбора для каждого компонента окружающей среды.

На третьей стадии, исследуемая территория разбивается на участки, в пределах которых суммарное распределение загрязнений в компонентах окружающей среды близко к равномерному или регулярному, определяются контуры однородного распределения точек отбора проб и производится построение изолиний, отражающих контрастность загрязнения.

Для выбора оптимального количества и месторасположения точек контроля, предлагается разбить точки отбора проб на однородные группы, таким образом, что внутри однородных групп количественные характеристики загрязнения подчиняются нормальному закону распределения.

Опробование необходимо повторять в течение всего периода эксплуатации хранилища, и после окончания его эксплуатации во время подготовительного периода к рекультивации в зависимости от гидрогеологических и метеорологических условий (количество осадков, испаряемость) для установления варьирования состава вод.

В настоящее время техногенные массивы по содержанию полезных компонентов можно отнести к техногенным месторождениям потенциальных полезных ископаемых, что обуславливает необходимость разработки эффективных способов консервации данных массивов, для последующего промышленного использования заскладированных отходов.

Примером потенциальных полезных ископаемых могут служить за-складированные на территории хво-

стового хозяйства отходы обогащения мокрой магнитной сепарации, формирующиеся на ОАО «Михайловский ГОК». Хвостохранилище обогатительной фабрики Михайловского ГОКа - одно из крупнейших в России по площади и объему. Площадь земельного отвода 22,5 км2. Полезная площадь 17,3 км . Объем ежегодно складируемых хвостов обогащения железистых кварцитов составляет более 12 млн. м3; объем хвостов, уложенных с начала эксплуатации - 284,3 млн. м3.

Основное негативное влияние на окружающую среду оказывает ветровое пыление открытых пляжей хво-стохранилища. Причинами этого являются: тонкий помол исходной руды (класс -0,04 мм составляет порядка 75 %) и большая (250—300 м) ширина пляжной зоны. Измерения концентрации пыли в районе расположения хвостохранилища МГОКа, показали, что запыленность воздуха при средней скорости ветра 7-8 м/с, на расстоянии 100 м от хвостохранилища составила 30,1-137,0 г/м3, при скорости ветра 2 м/с (с порывами до 5 м/с) и на расстоянии 1000 м - 1,16,1 мг/м3.

К наибольшему экономическому ущербу приводит воздействие хвосто-хранилища на сельскохозяйственные угодья. Так, с каждого гектара техногенного массива, сложенного из пород легкого механического состава, ежегодно выносится от 1000 до 1200 т. пыли, при отложении которой на поверхность почвенного слоя толщиной 4-5 см. наступает полная гибель всходов зерновых культур, вызываемая изменением состава почв.

Экономический ущерб от ухудшения качества почв и земель под воздействием антропогенных (техногенных) нагрузок выражается главным образом в:

• деградации почв и земель;

• загрязнении земель химическими веществами (вследствие оседании пыли);

• снижении продуктивности (урожайности) на запыленных землях,

• и составляет более 80 млн. руб. в год.

На территории функционирования хвостохранилища происходит полная трансформация состава подстилающих его грунтовых вод, которые, разгружаясь в поверхностные водоемы и водотоки, являются главным источником их загрязнения.

В результате воздействия хвосто-хранилища природным водам наносится эколого-экономический ущерб в размере 8 млн. руб. в год вследствие:

• инфильтрации дренажных вод с территории хвостохранилища в подземные и поверхностные воды;

• загрязнения поверхностных водоемов и водотоков, используемых для рыбохозяйственных целей.

Эколого-экономический ущерб от потери потенциально плодородного минерального вследствие ветровой и водной эрозии с территории хвосто-хранилища составляет более 25 млн. руб.

В этой связи, целью проведённых исследований являлось снижение воздействия хвостохранилища - техногенного месторождения ОАО «Михайловский ГОК» на атмосферный воздух, почвенно-растительный покров и природные воды, а также предотвращение потерь потенциального минерального сырья вследствие ветровой и водной эрозии путём консервации техногенного месторождения.

Выбор метода консервации отходов обогащения и технологии на его основе обусловливается совокупностью физико-химических параметров отходов и экранирующих их мате-

риалов, возможностями применяемого метода, экономическими показателями существующих технологий экранирования отходов. Проведенный анализ существующих методов экранирования и пылеподавления отходов показал, что применяемые в настоящее время методы (экранирование глинистыми слоями, плёнками из полимерных материалов, отходами нефтепереработки и пр.) имеют существенные недостатки (ухудшающиеся со временем изоляционные свойства, возможность перфорации, загрязнение вод поверхностного стока и пр.). В этой связи возникла необходимость разработки надежного, экологически безопасного и экономически эффективного способа изоляции техногенного месторождения на основе формирования экранов из полимерных материалов в оплавленном совместно с грунтами состоянии (ПМО).

Разработанная технология консервации техногенного месторождения заключается в планировании поверхности хвостохранилища, проведении дренажных мероприятий, укладке отходов полимерных материалов и наполнителей, нагрева смеси экранирующего слоя до температуры плавления композиционного материала, составляющей 150 - 1700С.

Для создания эффективных экранирующих покрытий были проведены исследования:

• структуры и свойств ПМО и их зависимости от параметров технологии формирования экрана.

• закономерностей старения ПМО при воздействии климатических и эксплуатационных факторов;

• влияния на структуру и свойства ПМО ультрадисперсных наполнителей и возможности улучшения таким способом эксплуатационных характеристик покрытий.

Проведённые исследования показали, что при увеличении температуры расплава композиционного материала до 180°С. процесс кристаллизации обрывается на промежуточной стадии, что приводит к формированию экрана с низкими прочностными характеристиками. В случае же формирования структуры экрана в условиях медленного охлаждения и выдержки расплава на каждой ступени охлаждения, разрушившиеся центры кристаллизации успевают восстанавливаться. Охлаждение в течение длительного времени создает благоприятные условия для протекания процессов полной кристаллизации, что приводит к повышению устойчивости и износостойкости покрытия в природных условиях.

В настоящее время в СПГГИ (ТУ) ведется разработка механизированного комплекса, реализующего технологию консервации, разработанную для хвостохранилищ обогатительных производств. Технологический процесс консервации включает три стадии:

1) планирование поверхности хво-стохранилища;

2) проведение дренажных мероприятий;

3) создание композитного экрана.

На первых двух стадиях процесса консервации техногенного месторождения задействуется имеющийся на горном предприятии комплекс машин и оборудования (бульдозеры, экскаваторы, автосамосвалы и т.п.). Проведение третьей стадии процесса требует применения специализированного оборудования - экранирующей машины. Экранирующая машина создается на самоходной базе (колесной или гусеничной), где размещаются силовой агрегат, бункер с

отходами полиэтилена, исполнительный орган и узлы управления машиной. Исполнительный орган экранирующей машины позволяет наносить полимерное покрытие или композит на профилированную поверхность техногенного месторождения. При нанесении защитного покрытия в виде композиционного материала исполнительный орган выполняет следующие функции:

• забор дисперсного материала с профилированной поверхности хво-стохранилища;

• перемешивание материала поверхностного слоя с подготовленным связующим (измельченные отходы полиэтилена);

• нагрев полученной смеси; выстилание нагретой композиционной массы на поверхность массива;

• уплотнение покрытия для обеспечения большей адгезии материала матрицы с термопластичным связующим.

Уплотнение позволяет повысить адгезию материала матрицы и наполнителя композиционного материала, что является одним из важнейших факторов, влияющих на прочность покрытия. При нанесении покрытия в виде полимерной пленки исполнительный орган экранирующей машины не включает в себя агрегаты для забора материала поверхностного слоя и перемешивания материала матрицы со связующим.

Предлагаемый способ консервирования отходов обогащения позволяет:

• повысить прочность и тем самым сохранить форму покрытия на длительный срок;

• упростить, повысить технологичность процесса получения покрытия, способного реализовать гидроизоляционные свойства в условиях постоянной ветровой нагрузки и воздействия атмосферных осадков, а

также в условиях контакта с режущими и колющими предметами или осколками и т.д.

• уменьшить коэффициент фильтрации за счет повышения антифрикционных свойств покрытия, увеличения плотности и монолитности;

• уменьшить водопоглощение покрытия за счет термического взаимодействия композиционного материала и грунтового основания;

• решить основную проблему экранов, а именно разрушающее действие солнечной радиации, нанесением недорогого изолирующего слоя из

гравия, гальки и подобных крупнозернистых материалов;

• существенно снизить стоимость экранирования и снизить загрязнение окружающей среды за счет использования и отходов полиэтилена и полипропилена;

• сохранить ценные компоненты, содержащиеся в промышленных техногенных образованиях, которые могут быть использованы в будущем, а в настоящее время представляют собой угрозу нарушения естественного состояния окружающей среды и условий существования человека.

1. Гальперин A.M., Фёрстер В., Шеф X.-Ю. Техногенные массивы и охрана природных ресурсов: Учебное пособие для вузов: В 2 т. - М.: Изд. Московского государственного горного университета, 2006.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

2. Пашкевич М.А. Техногенные массивы и их воздействие на окружающую среду. СПб, «Наука», 2000. ИШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Петрова Татьяна Анатольевна — кандидат технических наук, Корельский Денис Сергеевич — кандидат технических наук, Санкт-Петербургский государственный горный институт имени Г.В. Плеханова, е-шаП dnk1984@mail.ru.

А

ГОРНЯЦКОЕ АРГО

• ШНЯГА — коронка рабочего органа проходческого комбайна.

• ШТАНГА — анкерная крепь, либо забурник.

• ШТАНЫ — двойной патрубок вентиля.

• ЭМО — энерго-механический отдел.

• ЭСКА — разрезанное звено цепи.