Обоснование технологии формирования и рекультивации бортов неглубоких карьеров

УДК 622.882

ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ФОРМИРОВАНИЯ И РЕКУЛЬТИВАЦИИ БОРТОВ НЕГЛУБОКИХ КАРЬЕРОВ

© Б.Л. Тальгамер1, М.Е. Семенов2

1,2Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Обоснована технология формирования и рекультивации неглубоких карьеров. Особо отмечена необходимость рекультивации карьеров по добыче стройматериалов, которые составляют примерно четверть всех нарушенных горными работами земель в России. Исследование основано на данных, полученных в результате изучения 34 горнодобывающих предприятий, расположенных в Иркутской области. Все предприятия связаны с добычей песка, глины, песчано-гравийной смеси и используют для добычи полезных ископаемых средние и небольшие карьеры.

Отмечены изменения в характеристике предприятий по добыче стройматериалов за последние 10-20 лет, и установлено, что крупные горнодобывающие предприятия в настоящее время в основном заменяются более мелкими. Уменьшаются площади лицензионного отвода, что ведет к усложнению процесса разработки месторождений, дополнительным потерям полезного ископаемого вдоль контура запасов и возрастающей землеемкости горных работ.

Предложен способ формирования и рекультивации бортов карьера, при котором в процессе отработки полезного ископаемого предлагается формировать борта карьера за контурами запасов, а породы, взятые при заоткоске, использовать для выполаживания бортов, при этом их угол наклона устанавливать исходя из равенства объема пород, необходимого для выполаживания бортов, и объема пород, взятого за контурами запасов при формировании тех же бортов. Предложенные технические решения апробированы при проектировании карьера на одном из месторождений строительного камня на севере Иркутской области.

Ключевые слова: рекультивация неглубоких карьеров; контур запасов; формирование бортов карьеров и их рекультивация.

SHALLOW OPEN-PIT SIDE FORMATION AND RECULTIVATION TECHNOLOGY SUBSTANTIATION

B.L. Talgamer, M.E. Semenov

Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

The formation and recultivation technology for shallow open-pit sides is substantiated. The necessity to reculti-vate open-casts where building materials are mined is emphasized since this type of open-cut mines amounts to one quarter of all lands in the Russian Federation disturbed by mining. The research is based on the data received as a result of the study of 34 mining companies located in the Irkutsk region. All of them are engaged in mining of sand, clay and sand-and-gravel mix from average and small open-pits.

The paper indicates the changes in the characteristics that mining companies underwent for the last 10-20 years. It is shown that large businesses are replaced by the small ones, the areas of license claim decrease that complicates mining process and leads to additional losses of minerals along the reserve contour and growing intensity of earth-moving works in open-cast mining.

The authors introduce a method of open-pit side formation and recultivation involving the formation of the open-pit side outside the reserve contours while continuing mineral mining. It is proposed to use the rocks mined under bank slope work for flattening of open-pit sides. In this case their angle of slope should be set on the basis of congruence between the volume of the rocks required for side flattening and the volume of rocks mined outside reserve contours under the formation of these very sides. Proposed technical solutions have been tested under the design of an open-cast in one of the construction stone deposits in the north of the Irkutsk region.

Keywords: recultivation of shallow open-pits; reserve contour; formation of mine sides and their recultivation.

1Тальгамер Борис Леонидович, доктор технических наук, профессор, директор Института недропользования, тел.: (3952) 405197, факс: (3952) 405104, е-mail: gor@istu.edu

Talgamer Boris, Doctor of Engineering, Professor, Director of the Institute of Subsoil Use, tel.: (3952) 405197, fax: (3952) 405104, e-mail: gor@istu.edu

2Семенов Максим Евгеньевич, младший научный сотрудник инжинирингового центра «Инжи Инжиниринг», аспирант, тел.: 89834159965, e-mail: pkb@istu.edu

Semenov Maksim, Junior Researcher of the Engineering Center «Engi Engineering», Postgraduate, tel.: 89834159965, e-mail: pkb@istu.edu

В связи с ухудшением горнотехнических условий разработки месторождений полезных ископаемых ежегодно растет удельная землеемкость (м2/т или м3/м3) горных работ, в результате чего в настоящее время общая площадь нарушенных открытыми горными работами земель в России превышает 3 млн га. При этом около четверти всех нарушенных открытыми горными работами земель приходится на добычу строительных материалов. Карьеры по добыче стройматериалов хотя и невелики по размерам, зато расположены повсеместно и в большом количестве.

Для анализа структуры и характера нарушенных земель при добыче стройматериалов нами было изучено 34 проектируемых и действующих горнодобывающих объектов на территории Иркутской области, разрабатывающих месторождения песчано-гравийной смеси, песка, глины. Разработка аналогичных месторождений осуществляется с использованием небольших и неглубоких карьеров (средняя глубина составляет 7,5 м).

Проектные сроки разработки анализируемых объектов и участков составляют 2-12 лет (на двух наиболее крупных участках - 46 лет и 52 года), годовая производительность по добыче полезного ископаемого составляет 14-211 тыс. м3, землеемкость горных работ изменяется от 0,08 до 0,99 м2/м3.

За последние 10-20 лет существенно изменилась характеристика предприятий, добывающих стройматериалы. Если в конце 1980-х - начале 1990-х гг. добычей стройматериалов в Иркутской области преимущественно занимались достаточно крупные организации (Иркутский завод нерудных материалов, Восточно-Сибирский завод железобетонных конструкции и т.д.), то в настоящее время их добычу ведут многочисленные мелкие предприятия. При этом площади лицензионного отвода для освоения запасов в среднем составляют 5-8 га. Многие предприятия осуществляют добычу полезных ископаемых на

участках площадью всего 2-3 га, где практически невозможно обеспечить нормальное ведение горных работ. С уменьшением площади лицензионного отвода не только усложняется разработка месторождения, но и резко увеличиваются потери полезного ископаемого вдоль контура запасов, значительно возрастает землеемкость горных работ.

По площади нарушенных земель в анализируемых объектах основную долю занимают карьерные выработки (75%). Внешние отвалы (15%) и гидротехнические сооружения (4%) занимают гораздо меньшие площади, чем при разработке россыпей (соответственно 31 и 12%) и угольных месторождений.

Это вызвано тем, что, во-первых, коэффициент вскрыши здесь значительно меньше, а во-вторых, при добыче строительных материалов лицензионным отводом существенно ограничивается площадь горных работ.

Повсеместное вовлечение в эксплуатацию небольших месторождений и участков (в том числе из-за истощения запасов в крупных месторождениях и увеличения количества мелких горнодобывающих предприятий) влечет рост соотношения длины периметра (бортов) карьера к его общей площади, а также сокращение объема внутренних отвалов и увеличение землеемкости (м2/м3) горных работ.

Особых проблем с рекультивацией карьеров по добыче стройматериалов, учитывая их небольшие размеры, не возникает, однако, оценивая нарушенные земли после завершения добычных работ [1], следует отметить их неудовлетворительное состояние. В большинстве случаев рекультивация практически не выполнялась или была проведена в минимальных объемах. Во многих случаях рекультивация не проводилась из-за отсутствия необходимых для этого процесса пород.

Большинство месторождений стройматериалов имеет незначительную мощность вскрышных пород, которые во многих случаях представлены только

почвенно-растительным слоем. В таких условиях после отработки запасов даже на неглубоких карьерах вскрышных пород недостаточно для выполаживания бортов. Осуществление выполаживания за счет разноса бортов ведет к дополнительному нарушению прилегающих к карьеру территорий, а выполаживание за счет выемки пород со дна карьера [2] является достаточно трудоемким процессом, так как в большинстве случаев подстилают полезное ископаемое скальные или полускальные породы, которые перед выемкой требуют предварительного рыхления.

В некоторых технических решениях [3] предлагается формировать нерабочие борта при отработке карьерного поля с углами откосов, оптимальными для восстановления природного ландшафта (18-22°). Однако при формировании бортов с такими углами откосов за контурами запасов (в большинстве случаев запасы ограничиваются вертикальными контурами) резко увеличатся объемы выемки пустых пород и площади нарушенных земель. При формировании таких бортов в контурах запасов значительно возрастут потери полезного ископаемого.

Как показывает практика, при разработке месторождения стройматериалов борта карьеров формируют с максимально возможным углом, что связано, во-первых, с повышенной опасностью работы горного оборудования из-за вероятности обрушения и осыпания откосов, а во-вторых, с дополнительным нарушением земель за пределами контура карьера при выполаживании бортов в процессе рекультивации.

Для повышения эффективности землепользования и снижения затрат на выполаживание бортов при разработке неглубоких карьеров предлагается в процессе отработки полезного ископаемого борт карьера формировать за контурами запасов, а породы, взятые при заоткоске, использовать для их выполаживания, при этом угол наклона бортов карьера устанавливать исходя из равенства

объема пород, необходимого для выпо-лаживания бортов, и объема пород, взятого за контурами запасов при формировании этих бортов.

С учетом условия равенства пород, взятых при заоткоске и используемых для выполаживания бортов, угол наклона нерабочего борта карьера а устанавливается из следующего выражения:

а=

кр +1v

где в - угол откоса выположенного борта карьера, град.; Кр - коэффициент разрыхления пород.

Уменьшение угла откоса бортов при разработке месторождений с 55-70 до 42-45° в соответствии с предложенным техническим решением позволяет повысить безопасность горных работ и в целом сократить общий объем земляных работ по выемке пород за контурами запасов и рекультивации бортов на 3540%. При этом площадь нарушенных земель за контурами запасов уменьшится также на 35-40%.

На рисунке в качестве примера приведена схема формирования и рекультивации борта неглубокого карьера. Согласно этому варианту, после очистки карьерного поля от растительности снимают слой почвы и транспортируют ее на склад 1, расположенный на борту карьера 2. После этого производят вскрышные работы с размещением пород во временные отвалы вскрышных пород 3 за контуром карьера на нерабочих бортах. Указанные работы могут выполняться бульдозерами или скреперами. После завершения вскрышных работ производят выемку полезного ископаемого в установленных контурах запасов 4, а затем осуществляют выполажи-вание бортов с использованием пород, взятых при заоткоске за контурами запасов при формировании борта карьера. Объем пустых пород, взятых при заотко-ске (сечение АВС), соответствует объему пород, необходимых для выполажи-вания бортов (сечение АСД), с учетом коэффициента их разрыхления.

Схема формирования и рекультивации бортов неглубоких карьеров

Равенство объемов пород, взятых при заоткоске за контурами запасов (сечение АВС) и необходимых для выполаживания бортов карьера (сечение АСД), устанавливается с учетом обоснованного угла выполаживания ß и коэффициента разрыхления пород Кр.

После выполаживания бортов на них и дно карьера наносится слой вскрышных пород 5 из отвалов 3. В завершение рекультивации на слой вскрышных пород 5 наносится почва 6, взятая со склада 1.

При достаточно большой продолжительности отработки месторождения (несколько лет) по мере подвигания фронта работ и появления нерабочих бортов (во многих случаях они появляются уже в первый год разработки месторождения) отвалы вскрышных пород и склады почвы на борта карьера могут не создаваться, и все перекрывающие полезное ископаемое отложения вместе с породами из заоткоски сразу после выемки используются для выполаживания бортов и рекультивации. Последнее еще значительнее сократит землеемкость горных работ.

Предложенный способ формирования и рекультивации бортов карьера уже использован при проектировании разработки одного из месторождений строительного камня на севере Иркутской области.

Библиографический список

1. Анализ структуры нарушенных карьерами земель в условиях Восточной Сибири / Б.Л. Тальгамер [и др.] // Известия вузов. Горный журнал. 2012. № 8. С.16-20.

2. Пат. № 2433268 РФ, МПК 21С 41/32. Способ рекультивации карьеров (варианты) / Б.Л. Тальгамер, Е.А. Короб-кова. Опубл. 10.11.2011. Бюл. № 31.

3. Технологии формирования горнопромышленных ландшафтов в отработанных щебеночных карьерах с учетом экологических целей / И.В. Зеньков [и др.] // Экология и промышленность России. 2014. № 1. С. 42-46.

Статья поступила 14.10.2015 г.