Методология создания подземных геотехнологий, обеспечивающих инженерную защиту окружающей среды

УДК 622:55 Ю.П. Галченко

МЕТОДОЛОГИЯ СОЗДАНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ГЕОТЕХНОЛОГИЙ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ ИНЖЕНЕРНУЮ ЗАЩИТУ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Рассмотрены общие методологические принципы построения горных технологий и нормативов уровня техногенного воздействия, обеспечивающие инженерную защиту окружающей среды при подземном освоении минеральных ресурсов литосферы.

Ключевые слова: методология, литосфера, геотехнология, кластер, абиота, биота, биологический норматив, экологическая безопасность.

Семинар № 10

Лроблема экологической безопасности при освоении недр имеет два существенных аспекта. С одной стороны, динамичное увеличение потребности в минеральном сырье приводит к постоянному повышению общей техногенной нагрузки на естественную биоту Земли, а с другой - негативное воздействие каждого конкретного добывающего предприятия всегда ограничено во времени, вследствие исчерпаемости запасов любого месторождения. Поэтому при определении смысла и внутреннего содержания понятия экологической безопасности геотехнологий необходимо учитывать как устойчивость биосистем к действию техногенных факторов горного производства, так и возможности биологической релаксации в зонах техногенного поражения экосистем в постэкс-плуатационный период. Следовательно, инженерная защита окружающей среды, как система действий, обеспечивающих сохранение жизнеспособности этой среды, должна развиваться в двух, существенно различных, направлениях:

• полное или частичное устранение причин техногенного изменения геологической среды, как первоисточника экологических опасностей при освоении недр;

• ликвидация последствий неизбежного изменения литосферы при добыче полезных ископаемых для всех остальных сфер Земли (прежде всего - для биосферы).

Результаты реализации первого из этих направлений целиком зависят от целевой функции предпринимаемых действий, то есть от

содержания понятия безопасности геотехнологии для экосистемы, как объекта воздействия.

Известно, что биогеоценоз, экосистема, биологическое сообщество, существующее в более или менее неизмененном виде достаточно длительное время, обладают некоторой внутренней способностью противостоять возмущающим факторам, которые в изобилии поставляет внешняя среда и антропогенное воздействие. Эту способность экологической системы обычно называют «устойчивостью» или «стабильностью».

При оценке взаимодействия техно- и биосистем, устойчивость экосистемы обретает, как бы двоякий смысл. С одной стороны, устойчивость экосистемы является её свойством, характеризующим способность выдерживать внешние нагрузки. Но с другой - если какая-то экосистема устойчива к конкретному воздействию, то значит это воздействие безопасно для данной экосистемы. Таким образом, понятие экологической безопасности технологии (производства) есть проекция в техносферу понятия устойчивости биологической системы. Учитывая, что целевой функцией при изучении взаимодействия техно- и биосферы является сохранение естественной биоты Земли, то оба обозначенных понятия увязываются воедино через достижение этой цели, но каждое из них имеет свое собственное предназначение. Исследование устойчивости экосистем должно дать количественную оценку допустимого, по условиям сохранения экосистемы, уровня техногенного воздействия, а изучение причинно-следственной связей в процессе формирования этого воздействия, должно определить технологические пути достижения биологически обусловленного порога для каждого техногенного фактора.

Ведение промышленной деятельности в экосистеме существенно изменяет её абиотическую составляющую, что, через механизм гомеостаза, оказывает влияние на те или иные биологические виды, обычно угнетая или подавляя их. Поэтому экосистема выходит из равновесия и, согласно принципу Ле-Шетелье-Брауна, её равновесие смещается в том направлении, при котором эффект внешнего воздействия ослабевает. Применительно к специфике горного производства, экосистема устойчива к техногенному воздействию до тех пор, пока её биота сохраняет способность к самовосстановлению (т. е. к возврату на путь эволюции по законам цик-

лической сукцессии) после снятия техногенной нагрузки в связи с исчерпанием запасов месторождения.

Проецируя эти условия в техносферу, можно сформулировать понятие экологической безопасности горного производства: производство экологически безопасно, если техногенное возмущение абиотической составляющей экосистемы не превышает уровня, при котором её биота сохраняет способность к самовосстановлению (т. е. к возврату на путь эволюции по законам циклической сукцессии) после снятия техногенной нагрузки в связи с исчерпанием запасов месторождения [1].

Вполне очевидно, что в обозримой перспективе, по мере исчерпания запасов наиболее богатых по качеству сырья, простых по строению и доступных по расположению и экономике месторождений, предметом освоения будут становиться всё более сложные геологические объекты с невысоким качеством извлекаемого сырья и труднодоступные по расположению относительно поверхности Земли. При этом не менее очевидно, что потребность нашей технократической цивилизации в минеральных и энергетических ресурсах литосферы будет возрастать всё более быстрыми темпами. То есть, имеет место сложное комплексное противоречие уменьшающихся ресурсов литосферы и возможностей биосферы с нарастающим в количественном и качественном отношении давлением потребностей антропосферы.

Наиболее реальные возможности преодоления или разрешения этого системного противоречия связаны с развитием геотехнологий, применяемых для освоения ресурсов недр. Причём глобальный масштаб обозначенного противоречия требует, чтобы это развитие шло не по пути совершенствования и повышения эффективности отдельных технологических процессов, как это происходит в настоящее время, а затрагивало бы сами принципы построения горных технологий. В самом общем виде, эти принципы были сформулированы в работе [2], как гомеостатическая трансформация в техносферу принципов функционирования биологических систем.

Антропогенное вторжение в литосферу Земли, с целью извлечения полезных ископаемых, кардинально изменяет состояние огромных её участков. В результате формируется новый сложноструктурный объект, включающий в себя зону полного разрушения, в которой материал литосферы утрачивает свои первоначаль-

ные свойства и выдаётся затем на земную поверхность, и зону геофизического экотона, структура которого характеризуется качественной симметрией и количественной асимметрией. При достаточно однотипном характере деформационных изменений массива в подработанной и надработанной областях, они кардинально отличаются размером зон влияния горных работ. В надработанной части массива эта зона имеет замкнутую, почти симметричную форму. В то время как в подработанной части - зона деформационных изменений может простираться вплоть до земной поверхности, создавая экологическую опасность в виде потенциального нарушения равновесного состояния подземной гидросферы, прогиба или разрушения земной поверхности, изменения условий обращения поверхностных вод и условий водного питания корнеобитаемого слоя фитоценозов.

Таким образом, техногенное вторжение в литосферу с целью извлечения минеральных ресурсов приводит ее отдельные участки в совершенно новое состояние, причем, вследствие единства материального мира, эти изменения неизбежно имеют прямые или косвенные последствия для всех остальных элементов экосистемы планеты Земля. Именно в таком объемном характере техногенного воздействия, активно нарушающем состояние не только литосферы, но и гидросферы, атмосферы, биосферы, и заключается главная особенность экологии освоения недр. С точки зрения сохранения естественной биоты Земли, техногенное влияние добывающих предприятий выражается в появлении неприродных факторов, под хроническим воздействием которых природно-равновесные экосистемы начиняют изменяться в направлении предшествующих стадий сукцессии, вплоть до полной их деградации. Обратная же связь, отражающая влияние биосферы на техносферу выражается в том, что введение биологически обоснованных ограничений величины техногенных факторов определяет выбор инженерных решений и через них - пути развития техносферы в целом.

Разработанные Всемирным фондом дикой природы «Основные положения политики экологической и социальной ответственности горнодобывающих компаний» предусматривают «...обезвреживание отходов и воздействий до состояния, не представляющего опасности для окружающей среды.» и «.уменьшение площадей земельного отвода.» [3, 4]. Кардиналь-

ное решение этих проблем при подземном освоении месторождений возможно только на основе геотехнологий с замкнутым циклом обращения твёрдого вещества [1]. В целом, реализация этих положений во всех областях развития минерально-сырьевого комплекса привела к формированию нового научно-технического направления по созданию «зелёных» технологий, то есть технологий с минимальным количеством отходов (грант РФФИ № 09-0500291).

Применительно к особенностям подземной разработки месторождений можно представить три взаимно дополняющих друг друга пути создания подобных технологий:

• простое сокращение общего объёма отходов посредством перехода к избирательной выемке полезного ископаемого на всех видах горных работ;

• сокращение объёма хранения отходов за счет создания технологий их использования в других отраслях хозяйства;

• сокращение объёма отходов, складируемых на земной поверхности путём частичного (а в идеале - и полного) возврата переработанного вещества литосферы в выработанное пространство.

Применением идей избирательной выемки полезного ископаемого на всех стадиях разработки месторождений имеет в нашей добывающей промышленности достаточно длинную историю. Оно пока не нашло широкого практического применения, но перспективы его развития, по мере роста экологических ограничений производства, неизбежны.

Подземная сортировка была достаточно широко распространена несколько десятилетий назад при разработке богатых месторождений с неравномерным оруденением. Использование технологии забойной сортировки позволяло сократить количество пустых пород, выдаваемых на поверхность на 20-40%, но требовало огромных затрат ручного труда и усложнения отдельных технологических процессов. Поэтому, по мере развития механизированных способов подземной разработки месторождений, эта технология полностью перестала применяться и вряд ли может быть востребована в перспективе, даже при самых высоких экологических требованиях и ограничениях.

Гораздо более реальную перспективу имеет технологическое направление, основанное на разделении руд и пород по искусственно

заданным признакам на стадии отбойки полезного ископаемого. Наибольший научный и практический задел в этой области накоплен при разработке жильных месторождений, как наиболее сложных геологических объектов, эксплуатация которых сопровождается высоким удельным объемом выдачи и размещения на поверхности пустых пород. Из всех возможных вариантов раздельной выемки прямое экологическое значение имеют способы выемки, при которых пустая порода либо отбивается и не выдается из блока, либо вообще не отбивается. Наиболее технологичен и эффективен второй вариант.

Технологической основой реализации принципа избирательности добычи полезного ископаемого и построения экотехнологии, является достаточно хорошо проработанные в научном плане и мало применяемые практически разнообразные варианты разделения руд и пород на различных стадиях процесса разработки месторождений. Общая концепция развития этого технологического направления заключается в том, что уровень избирательности технологии добычных работ, путём целенаправленного выбора возможных решений, приводится в соответствие с характером и уровнем изменчивости естественного распределения полезного компонента в разрабатываемом участке литосферы. Признаки, по которым производится это разделение, могут быть естественными или создаваться искусственно (рис.).

Возможности использования отходов горного производства в других отраслях определяются наличием технологий повторного использования твёрдых отходов горного производства и могут быть с наибольшей эффективностью использованы в освоенных районах, что не соответствует реальным экономико-географи-ческим особенностям распределения перспективных месторождений основных видов минерального сырья в нашей стране.

И, наконец, создание геотехнологий с полностью или частично замкнутым циклом обращения вещества, извлеченного из литосферы в процессе разработки месторождения, открывает наиболее интересные перспективы решения геоэкологических задач. Разрушение части объёма литосферы, выдача этого материала на поверхность и включение его в оборот вещества и энергии антропо- и биосферы Земли нарушает внутреннее равновесие литосферы.

Способы разделения руды и породы на стадии очистной выемки

Предельные масштабы такого изменения литосферы определяются способностью геофизических структур локализовать область техногенного воздействия и, со временем, включить эту область в эволюционный процесс окружающего ее природного объекта. Поэтому обеспечение геоэкологической безопасности при освоении недр связано с фундаментальной научной проблемой геомеханики по исследованию влияния неприродных нагрузок на процессы, протекающие в геодинамических структурах литосферы.

Вокруг объёма техногенного поражения литосферы формируется пространство, в пределах которого материал литосферы сохраняет свое агрегатное состояние, но меняет механические свойства (плотность, трещиноватость, напряженно-деформированное состояние и т.д.). Трансформируя для этих условий классическую триаду экологии (загрязнение - транзитная среда - депонирующая среда), можно сформулировать следующее построение: разрушение некоторого объёма первично равновесной литосферы приводит к искажению геофизических полей (загрязнение); через транзитную среду - поле тяготения Земли - это «загрязнение» передается в нетронутые участки литосферы и приводит их в новое напряженно-деформированное состояние (депонируется в них). Принятие такой схемы развития динамических процессов в литосфере при техногенном воздействии на неё в процессе разработки месторождений, по аналогии с теоретической экологией, означает наличие внешней границы у зоны загрязнения, на которой всё загрязнение депонировано элементами первичной системы.

Геофизические свойства техногенно изменённых недр безусловно определяются особенностями геотехнологических процессов извлечения полезных ископаемых, т.е. определяются набором неизбежных действий, необходимых для осуществления целевой функции геотехнологии - изъятие и доставка на поверхность части материала литосферы, представляющего хозяйственную ценность.

Поэтому, в рамках принятой модели, методология построения экологически безопасной для природной системы геотехнологии (т.е. геотехнологии, обеспечивающей инженерную защиту литосферы при добыче минеральных ресурсов) определяется решением фундаментальной проблемы по преодолению или минимизации влияния антропогенного разрушения локальных участков литосферы на процессы, протекающие в её динамических структурах. Это означает, что при создании геотехнологии, как системы последова-

тельно выполняемых технологических процессов, главным оптимизационным критерием следует считать условия, при которых постоянно воспроизводятся устойчивые динамические структуры, не порождающие кардинальных изменений состояния структурных элементов литосферы, включая флюидонесущие горизонты (грант РФФИ № 08-05-00889).

Рассмотрение геотехнологий, применяемых для подземной добычи минерального сырья (т.е. формирования зоны техногенного разрушения), позволяет выделить одну общую для всех случаев особенность развития геотехнологических и геомеханических процессов - добыча полезного ископаемого в зоне техногенного разрушения литосферы и защита этой зоны от последствий геомеха-нического возмущения прилегающих участков литосферы всегда совмещены по времени [5]. В связи с этим, добычные работы неизбежно включают в себя необходимость выполнения дополнительных процессов, обеспечивающих поддержание динамического равновесия всей геотехнической системы. С изменением геомеханиче-ских условий разработки и возникновения опасных проявлений горного давления маневр в применяемых геотехнологиях существенно ограничен. Кроме того, при наличии во вмещающих породах флюидонесущих коллекторов (с водой, нефтью, рассолами или газами), горные работы всегда оказываются незащищенными от их проявлений со всеми вытекающими отсюда последствиями.

Таким образом, при развитии геотехнологий всегда имеет место локальное противоречие между необходимостью и возможностью изменения геотехнологий с изменением условий разработки.

Согласно современным представлениям о литосфере, как сплошной среде с разномасштабными неоднородностями, избыточные напряжения (или их эквивалент - неупругие напряжения) на этих неоднородностях возникают лишь при конечной скорости деформирования твердого тела и со временем самопроизвольно релаксируют [6].

Применительно к проблемам подземной разработки месторождений, которая, по сути своей, есть не что иное, как формирование в литосфере антропогенных неоднородностей с уменьшенной средней плотностью и с возрастающими во времени размерами, все приведенные выше рассуждения означают, что при формировании достаточно крупной неоднородности с нулевой плотностью (отрабатываемого участка) условия воспроизводства устойчивых динамических структур в литосфере будут определяться релаксационными процессами на

внешнем контуре неоднородности [7]. Поэтому опережающее формирование этого контура открывает реальную возможность преодоления обозначенного выше локального противоречия выделением зоны техногенного разрушения литосферы из общего поля геофизических изменений состояния геологического массива за счёт разделения во времени добычи основной массы полезного ископаемого и процессов преодоления последствий геомеханического возмущения прилегающих участков литосферы.

С геотехнологических позиций идеи и возможности инженерной защиты окружающей среды, в нашем случае - литосферы, могут быть реализованы путём увеличения «масштаба» понятия геотехнология.

Сложившаяся практика проведения геотехнологических исследований базируется на функциональном дифференцировании технологий по локальным целям. Изучаются и создаются технологии очистной выемки, проведения выработок различного назначения или направления, возведения закладочных массивов и т.д., в рамках которых развиваются технологии более низкого иерархического уровня: бурения шпуров и скважин, взрывной отбойки, доставки, погрузки, крепления и т.п. Однако, в рамках проблем геоэкологии, когда имеет место взаимодействие природного объекта с техногенным, последний рассматривается как единое целое, обладающее определёнными свойствами, которые и определяют уровень и характер техногенного воздействия на окружающую среду, свойства которой, в свою очередь, являются характеристикой нарушаемого природного объекта. При такой модели взаимодействия появляется необходимость формирования понятия геотехнологии освоения месторождения, как единой системы, или, в современных понятиях - кластера, объединяющего несколько однородных элементов (в нашем случае локальных технологий) и обладающего определёнными свойствами (в нашем случае - характером техногенных факторов, влияющих на природный объект). Тогда обеспечение геоэкологической безопасности при освоении месторождения в форме инженерной защиты окружающей среды может быть интерпретировано как создание геотехнологического кластера, свойства которого коррелируют с условиями релаксации геофизических возмущений литосферы, вызванных освоением её минеральных ресурсов.

Второе из обозначенных выше направлений развития инженерной защиты биологической среды при освоении минеральных ресурсов недр по существу сводится к созданию и применению системы нормативов, ограничивающих уровень техногенного воздействия ус-

ловиями сохранения или самовосстановления биологических систем. Методологические подходы к такому решению проблемы экологической безопасности горного производства для биосферы Земли строятся на основе корреляции величины негативных техногенных факторов с шириной диапазона толерантности основополагающих элементов биоты природных экосистем - вида эдификаторной синузии её фитоценоза [1].

Комплексный характер техногенного воздействия горного производства в сочетании с распространенным утверждением о том, что суммарное воздействие комплекса поллютантов опаснее суммы их воздействий за счет возникновения различных побочных эффектов, является формальным препятствием для использования редукциона-листких подходов к решению пограничных задач взаимодействия техно и биосферы. Но если при изучении биологических последствий действия тех или иных техногенных факторов это обстоятельство, безусловно, необходимо учитывать, то при поиске путей создания новых геотехнологий, обеспечивающих сохранность естественной биоты Земли, допущение о равенстве (или адекватности) суммарного воздействия и суммы воздействий не только приемлемо, но и просто необходимо.

Такая постановка предопределяет и методологический подход к решению геотехнологических проблем путем предельно дифференцированного рассмотрения внутренних процессов, определяющих количественные и качественные характеристики каждого техногенного фактора, оказывающего влияние на биоту экосистем.

Любое ограничение величины техногенного воздействия на естественную биоту Земли в методологическом плане трансформируется в понятие и величину нормы этого воздействия. Содержание этого понятия достаточно хорошо разработано в медицине на современном уровне, где существует показатель крайней патологии - гибель организма. На уровне популяции этот показатель уже не играет определяющей роли и здесь критерием патологии может служить ее неспособность воспроизводить себя в данных условиях. Гораздо сложнее обстоит дело с экосистемами. Здесь угнетение или гибель отдельных видов не может быть абсолютным критерием разрушения экосистемы. Реализация любой критической ситуации ведет «.только к перестройке системы, причем возможность восстановления прежнего состояния не исключается.». В самом общем представлении, понятие нормы - частный случай категории меры. Последнюю же в экологии

конкретизирует концепция критических уровней развития экосистем, под которыми понимается такое их состояние, в котором происходит её качественная перестройка [1]. Именно не согласованность с этим фундаментальным положением и является сегодня основным внутренним противоречием существующей системы нормирования уровня техногенных воздействий на естественную биоту Земли. В этом случае методология решения проблемы должна строиться на принципе дифференцированного рассмотрения поведения техногенных поллю-тантов в транзитных и депонирующих средах.

В рамках принятой нами модели строения биоты экосистем устанавливаются закономерности изменения жизнеобеспечивающих факторов, затронутых техногенным воздействием, и устанавливается диапазон толерантности к нему видов эдификаторной синузии. На основе этих данных определяется биологический норматив допустимого воздействия. Но использовать этот норматив в качестве нормы технической нельзя, так как у этих двух показателей всегда разная размерность. Биологически допустимое воздействие всегда будет определено в единицах измерения этого фактора, отнесенных на единицу какого-то параметра биологического объекта. В то время, техническая норма может быть задана только в виде тех же единиц измерения техногенного фактора, но отнесенных к единице какого-либо технологического параметра.

Так как техногенный фактор, как свойство геотехнологии, превращается в техногенную нагрузку на биоту экосистем в границах зоны поражения, то будет вполне правомочным методологическое положение о том, что преобразование биологической нормы в техническую должно быть основано на использовании установленных законов транзита техногенных поллютантов. В такой постановке техническая норма есть такая величина интенсивности источника техногенного воздействия, при которой ни в одной точке зоны поражения экосистемы этим воздействием не будет превышен его биологически обоснованный предел.

Исполнение биологически обоснованных технических норм на техногенные воздействия становится главным фактом, определяющим типы и характеристики технологий, обеспечивающих инженерную защиту биологической среды от техногенных поллютантов, свойственных горному производству.

------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Трубецкой К.Н., Галченко Ю.П., Бурцев Л.И. Экологические проблемы освоения недр при устойчивом развитии природы и общества. М.: Научтехлитиз-дат, 2003. 260 с.

2. Галченко Ю.П., Сабянин Г.В. Экотехнология разработки крутопадающих жил со сложной морфологией // Золотодобывающая промышленность. - 2006. -№ 2(14). - С. 40-43.

3. ICMM Principles for sustainable development performance // International Council on Mining & Metals (ICMM), 2003: http://www.icmm.com/ publications/ICMM Principles en.pdf.

4. Основные положения политики экологической и социальной ответственности горнодобывающих компаний: http://www.wwf.ru/data/

programmes/mining/osnovnepologeniy_red_7iuny.doc.

5. Галченко Ю.П., Родионов В.Н., Сабянин Г.В. Инженерно-физическое обоснование создания новых подземных геотехнологий // Инженерная физика. -2009. - № 6. - С. 40-45.

6. Родионов В.Н. Очерк геомеханики. - М.: Научный мир, 1996. - 126 с.

7. Родионов В.Н. Геомеханика (кинематика воспроизводимых структур). -

М.: ИНЭК, 2004. - 80 с. ВШЭ ' '

J.P. Galchenko

METHODOLOGY OF CREATION OF THE UNDERGROUND GEOTECHNOLOGIES PROVIDING ENGINEERING PROTECTION OF ENVIRONMENT

There are considered the general methodological principles of construction of mining technologies and standard level of anthropogenic influence, providing engineering protection of environment at underground development of mineral resources lithosphere.

Key words: methodology, lithosphere, geotechnology, cluster, abiota, biota, biological standard, ecological safety.

— Коротко об авторе ---------------------------------------------------------

Галченко Ю.П. - доктор технических наук, ИПКОН РАН,

info@ipkonran.ru