Обоснование горнотехнической рекультивации карьеров по добыче нерудных материалов для производства щебня

УДК 622.882:622.271.3 © И.В. Зеньков, И.М. Барадулин, 2018

Обоснование горнотехнической рекультивации карьеров по добыче нерудных материалов для производства щебня

DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2018-2-96-99

ЗЕНЬКОВ Игорь Владимирович

Доктор техн. наук, Заслуженный эколог РФ,

Институт вычислительных технологий СО РАН,

профессор ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный

университет»,

660041, г. Красноярск, Россия

e-mail: zenkoviv@mail.ru

БАРАДУЛИН Илья Михайлович

Аспирант

ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет», 660041, г. Красноярск, Россия

В статье представлены результаты моделирования горнотехнического этапа рекультивации нерабочих бортов отработанных щебеночных карьеров. Установлена оптимальная форма карьерной выемки с учетом географической ориентации нерабочих бортов карьера, влияющая на плотность деревьев и темпы годового прироста. Рассчитан экологический и экономический эффект в результате использования разработанного подхода к проведению горнотехнического этапа рекультивации в отработанных щебеночных карьерах. Ключевые слова: открытые горные работы, щебеночные карьеры, рекультивация нарушенных земель, техногенная почвенная смесь, лесная экосистема, продуктивность почвенного слоя.

ВВЕДЕНИЕ

На протяжении всей истории человеческое общество добывает и перерабатывает нерудные материалы для своих нужд. На территории Сибири нерудные материалы добывают в многочисленных так называемых щебеночных карьерах. Особенностью добычи нерудных материалов является появление горнопромышленных ландшафтов в виде остаточных карьерных выемок. В связи с этим всегда возникают вопросы в первую очередь касающиеся восстановления экологического баланса на нарушенных территориях. Решению таких вопросов в нашей стране и за рубежом в последние годы уделяется большое внимание. Оценке восстановления экологии на территориях с объектами горнодобывающей промышленности, решению экологических проблем посвящено множество работ [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14]. Но, несмотря на большой объем научных работ, по-прежнему не освещены вопросы, касающиеся проведения горнотехнического этапа рекультивации в отработанных щебеночных карьерах с целью улучшения показателей растительных экосистем, формирующихся в них в условиях самовосстановления.

РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ

В ходе горнотехнической рекультивации основными этапами ее проведения являются: формирование продуктивной смеси из почвенных слоев, содержащих гумус; нанесение ее на межуступные площадки нерабочих бортов карьеров. При этом должны быть подготовлены условия для ускоренного появления на территории горнопромышленного ландшафта растительной экосистемы и дальнейшего ее развития экологически приемлемыми темпами.

В разработанной эколого-математической модели предусматривается расчет площади межуступных площадок, поскольку, именно этот показатель в увязке с мощностью техногенной смеси, наносимой не эти площадки, определяет объем работ по горнотехнической рекультивации. Кроме того, исходя из площади межуступных площадок и мощности слоя продуктивной смеси на них определяют прогнозные показатели травянистой или лесной растительности, которая будет находиться на этих площадках в результате ее самовосстановления: продуктивность покрова, плотность деревьев, годовые темпы прироста их стволовой части.

Для того чтобы установить форму карьерной выемки, обеспечивающей наилучшие экологические показатели, необходимо провести сравнительный анализ возможных вариантов постановки нерабочих бортов карьера в стационарное положение, используя результаты исследования разработанной модели. Классическую компоновку нерабочих бортов отработанного щебеночного карьера в форме квадрата представим на рис. 1, а.

В моделировании приняты следующие условия: форма карьера в плане - квадрат размером 500x500 м; глубина карьера - 50 м; угол откоса уступов 700; высота всех уступов кроме нижнего - 7 м; высота нижнего уступа - 8 м; ширина межуступных площадок одинаковая для всех бортов и составляет 6 м. Площади элементов архитектуры горнопромышленного ландшафта: общая площадь горизонтальных проекций откосов уступов составляет 41542 м2; общая площадь межуступных площадок составляет 52512 м2; площадь дна карьера - 155946 м2. Используя результаты ранее проведенных исследований [1, 2, 3, 4], определим прогнозное количество деревьев в этом карьере и сделаем допущение, что самовосстановление лесной экосистемы будет происходить на межуступных площадках. Количество деревьев, по нашей оценке, составит 917 ед. Как показывает практика, на дне карьеров находятся многочисленные небольшие по площади и неглубокие техногенные водоемы в складках микрорельефа. Этот вид горнопромышленного ландшафта переходит очень быстро в болотистую местность, которая заселяется влаголюбивым тальником. Возможно, здесь будут се-

литься все представители смешанного леса, но поскольку именно на дне карьера будут собираться дождевые и талые воды, то наш прогноз по лесной экосистеме - количество деревьев на уровне 900-950 ед.

Рассмотрим вариант постановки нерабочих бортов карьера в нерабочее положение, представленный на рис. 1, б. Для расчетов экологических показателей в этом карьере примем следующие технологические условия, прямо оказывающие влияние на плотность и прирост деревьев в лесной экосистеме, которая будет сформирована при ее самовосстановлении. Основные геометрические параметры этого карьера (размеры в плане, глубина) примем по аналогии с карьером, представленном на рис. 1, а. Главным отличием этого карьера от предыдущего являются уменьшенные в десятки раз размеры дна карьера. Размер дна карьера 50x50 м примем из расчета создаваемой емкости в придонной части для сбора в ней талых и дождевых вод объемом 20000 м3.

Рассмотрим архитектуру горнопромышленного ландшафта карьера с расположением емкости для приема природной воды в его центре. В этом случае площади горизонтальных проекций нерабочих бортов равны между собой. Для конструкции нерабочих бортов этого карьера ширина всех межуступных площадок определится размером 34,5 м.

На следующем этапе экологической оптимизации проведем трансформацию площади горизонтальных проекций нерабочих бортов карьера. Для этого сместим дно карьера по двум направлениям: диагональной оси симметрии карьера в угол; горизонтальной оси симметрии в сторону нерабочего борта (рис. 2).

В первом случае в архитектуре горнопромышленного ландшафта щебеночного карьера появляются два узких (западный и северный) и два широких нерабочих борта (восточный и южный), по-разному географически ориентированных.

Западный и северный борта отстраивают из условия ширины межуступных площадок 6 м. Ширина всех площадок на двух других бортах - 63,1 м. Площади площадок для восточного и южного бортов рассчитывают с учетом углов у, р. Во втором случае в архитектуре горнопромышленного ландшафта щебеночного карьера появляются один узкий -западный и один широкий борт - восточный, а также два борта - северный и южный с одинаковой площадью и размером между узким и широким бортами. Западный борт отстраивают из условия ширины межуступных площадок 6 м. Ширину площадок для восточного борта определяют на уровне 63,1 м, а для северного и южного - на уровне 34,5 м. Площади площадок для всех бортов определяют с учетом углов юС, РС, 0С, уС.

На предпоследнем этапе, используя известные формулы для определения объемных фигур - прямоугольников, поскольку любой слой продуктивной смеси, нанесенной на межуступные площадки, имеет три измерения - рассчитывают объем работ по нанесению техногенной смеси в ходе производства работ по горнотехнической рекультивации. На последнем этапе, исходя из задаваемой мощности слоя продуктивной смеси и географической ориентации нерабочих бортов, определяют прогнозное количество деревьев в лесной экосистеме, формируемой при ее самовосстановлении на межуступных площадках щебеночного карьера. Содержательная часть разработанной модели показывает, что количество принципиально различающихся ва-

4^1 1Н 1

щй s; Si S : > | \

♦ iii iiiisiii:  i :

__ ii iii:; Ж iii ШШШ

1 X

Дно карьера с отметкой - 50 м

карьера

Дно карьера

Нерабочие борта

Рис. 1. План отработанного щебеночного карьера: а - классическая компоновка нерабочих бортов; б - с уменьшением площади дна и расширением межуступных площадок

Fig. 1. Depleted ballast quarry layout: а - conventional non-mining flanks arrangement; b - reduced bottom area and inter-bench decks extension

Дно карьера 1

Нерабочие борта

Рис. 2. План отработанного щебеночного карьера со смещением его дна: а - по диагональной оси симметрии; б - по горизонтальной оси симметрии Fig. 2. Layout of depleted ballast quarry with bottom shifting: а - along diagonal center line; b - along horizontal center line

риантов конструктивных решений по оформлению нерабочих бортов карьеров, к тому же с различной географической ориентацией, может быть не более девяти. Вместе с тем это количество увеличивается в десятки раз при изменении конструкций межуступных площадок, а также в слу-

a

б

a

б

Прогнозные показатели количества взрослых деревьев в щебеночных карьерах с двумя вариантами расположения дна

Элемент нерабочего борта карьера Расположение дна карьера

В центре Смещение в северо-западный угол

Межуступные горизонтальные площадки без нанесения продуктивной смеси 4219 6751

Межуступные площадки без нанесения продуктивной смеси с уклоном 3-50 в сторону выработанного пространства 3626 5833

Межуступные площадки без нанесения продуктивной смеси с уклоном 3-50 в сторону нерабочего борта 4918 7763

Межуступные горизонтальные площадки с нанесением продуктивной смеси 7271 11563

Межуступные площадки с нанесением продуктивной смеси с уклоном 3-50 в сторону выработанного пространства 6787 10943

Межуступные площадки с нанесением продуктивной смеси с уклоном 3-50 в сторону нерабочего борта 7688 12090

чае принятия технологических решений, касающихся диапазона нанесения продуктивного слоя или отказа от этого.

Прогнозные показатели по возможным вариантам рекультивации щебеночных карьеров будем представлять в табличной форме. На основе сравнительного анализа из всех вариантов выбирается один-два с наилучшими показателями. На заключительном этапе поиска оптимального решения в принятии окончательного варианта конструкции карьерной выемки проведем сравнительный анализ прогнозных показателей лесной экосистемы при ее формировании в отработанных карьерах, показанных на рис. 1, б;рис. 2, а и в таблице. Плотность деревьев принята по результатам работ [1, 2, 3, 4].

Анализ результатов расчетов прогнозных показателей, представленных в таблице, показывает равнозначность вариантов постановки нерабочих бортов карьера в стационарное положение при расположении дна в центре карьера без нанесения продуктивной смеси на горизонтальные межуступные площадки либо с их уклоном в сторону нерабочего борта. Максимальное количество деревьев в лесной экосистеме отмечено в варианте со смещением дна карьера в его северо-западный угол и при максимальном удельном весе площади горизонтальных проекций южного и восточного бортов в площади карьера.

В ходе полевых исследований и проведенного дистанционного мониторинга, освобожденного от субъективных оценок, достоверно установлено, что ускоренное появление древесно-кустарниковой и травянистой растительности (2-3 года) в отработанных карьерах, высокие годовые темпы ее прироста и показатели продуктивности наблюдаются на межуступных площадках, на которые нанесен слой продуктивной смеси, содержащей гумус мощностью в диапазоне 0,5-1,0 м. Также были выявлены участки в карьерах, покрытые устойчивым растительным покровом, которые были приняты нами за эталоны восстановления растительной экосистемы в отработанных щебеночных карьерах (рис. 3).

Отдельно отметим установленную пестроту в тенденциях формирования локальных экосистем в отработанных карьерах, положительные результаты которого неизменно должны выступить ориентиром в создании горнодобывающими предприятиями архитектуры экологически сбалансированных горнопромышленных ландшафтов в местах добычи рудного и нерудного сырья открытым способом на всей территории Сибири со схожими почвенно-географическими и природно-климатическими характеристиками. Кроме улучшения экологических показателей в варианте постановки нерабочих бортов карьера со смещением дна карьера в его северо-западный угол снижаются затраты на проведение ра-

Рис. 3. Лесная экосистема, принятая за эталон при ее самовосстановлении в щебеночных карьерах Fig. 3. Forestry eco-system as reference model of regeneration in the ballast quarries

бот по горнотехническому этапу рекультивации в размере 980 тыс. руб., проведенной в одном карьере.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Итак, на основе комплексного анализа результатов полевых экспедиций, дистанционного горно-экологического мониторинга, результатов моделирования установлены закономерности формирования локальных растительных экосистем в отработанных щебеночных карьерах с разнящимися показателями, которые положены в основу экологической оптимизации геометрической формы карьерной выработки. Установленные экологически оптимальные параметры карьеров должны приниматься во внимание при формировании технического задания на проектирование открытых горных работ на месторождениях по добыче нерудных материалов.

Список литературы

1. Zenkov I.V., Yuronen Yu.P., Nefedov B.N., Baradulin I.M. Remote sensing in estimation of forest ecosystem generation at crushed stone quarries in Siberia // Eurasian mining. 2016. Vol.1. Рр. 50-54.

2. Зеньков И.В., Барадулин И.М. Обоснование конечной формы щебеночных карьеров Сибири в целях лесотехнической рекультивации // Горный журнал. 2016. № 3. С. 85-88.

3. Зеньков И.В., Барадулин И.М. Результаты исследования условий появления и формирования растительного покрова в отработанных щебеночных карьерах // Уголь. 2017. № 12 С. 69-71. URL: http://www.ugolinfo.ru/Free/122017.pdf (дата обращения: 15.01.2018).

4. Зеньков И.В., Барадулин И.М. Исследование условий формирования и характеристик лесных экосистем в отработанных щебеночных карьерах в Красноярском крае // Уголь. 2018. №1. С. 81-83. doi: 10.18796/0041-5790-2018-1-81-83.

5. Ульрих Д.В., Денисов С.Е., Тимофеева С.С. Оценка влияния горнодобывающих и перерабатывающих предприятий на экологическую обстановку в Челябинской области // Горный журнал. 2015. № 5, С. 94-99.

6. Семина И.С., Андроханов В.А. О рекультивации нарушенных земель на разрезах Кузбасса // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2014. № 12, С. 307-314.

7. Таразанов И.Г. Итоги работы угольной промышленности России за январь-сентябрь 2017 года // Уголь. 2018. № 1. С. 18-32. doi: 10.18796/0041-5790-2018-1-18-32

8. Яновский А.Б. Основные тенденции и перспективы развития угольной промышленности России // Уголь. 2017. № 8. С.10-14. doi: 10.18796/0041-5790-2017-8-10-14. URL: http://www.ugolinfo.ru/Free/082017.pdf (дата обращения: 15.01.2018).

9. Abdullah M.M., Feagin R.A., Musawi L., Whisenant S., Popescu S. The use of remote sensing to develop a site history

for restoration planning in an arid landscape // Restoration Ecology. 2016. Vol. 24(1). Pp. 91-99.

10. Zweig C.L., Newman S. Using landscape context to map invasive species with mediumresolution satellite imagery // Restoration Ecology. 2015. Vol. 23(5). Pp. 524-530.

11. Borrelle S.B., Buxton R.T., Jones H.P., Towns D.R. A GIS-based decision-making approach for prioritizing seabird management following predator eradication // Restoration Ecology. 2015. Vol. 23(5). P. 580-587.

12. Strunk S., Houben B., Krudewig W. Controlling the Rhenish opencast mines during the transition of the energy industry // World of Mining - Surface & Underground. 2016. Vol. 68(5). Pp. 289-300.

13. Shoo L.P., Scarth P., Schmidt S., Wilson K.A. Reclaiming Degraded Rainforest: A Spatial Evaluation of Gains and Losses in Subtropical Eastern Australia to Inform Future Investment in Restoration // Restoration Ecology. 2013. Vol. 21(4). Pp. 481 -489.

14. Sena K., Barton C., Hall S., Angel P., Agouridis C., Warner R. Influence of spoil type on afforestation success and natural vegetative recolonization on a surface coal mine in Appalachia, United States // Restoration Ecology. 2015. Vol. 23(2). Pp. 131-138.

ECOLOGY

UDC 622.882:622.271.3 © I.V. Zenkov, I.M. Baradulin, 2018

ISSN 0041-5790 (Print) • ISSN 2412-8333 (Online) • Ugol' - Russian Coal Journal, 2018, № 2, pp. 96-99 Title

SUBSTANTIATION OF MINING-ENGINEERING RECLAMATION OF NONMETALLIC MATERIALS QUARRIES FOR BALLAST PRODUCTION

DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2018-2-96-99

Authors

Zenkov I.V.1' 2, Baradulin I.M.2

' Special Design and Technological Bureau "Nauka" of Institute computational technology

of Siberian Branch Russian Academy of Sciences (SDTB "Nauka" ICT SB RAS), Krasnoyarsk, 660049, Russian Federation 2 Federal State-Autonomous Educational Institution of Higher Professional Education (FSAEI HPE) Siberian Federal University, Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation

Authors' Information

Zenkov I.V., Doctor of Engineering Sciences, Merited Ecologist of the Russian Federation, Professor, e-mail: zenkoviv@mail.ru Baradulin I.M., Postgraduate

Abstract

The paper presents the results of depleted ballast quarries non-mining flanks mining-engineering reclamation modelling. The optimal quarrying geometry is established with account for non-mining quarry flanks geographic orientation, affecting trees density and annual crop rates. Environmental and economic impact of the proposed approach to depleted ballast quarries mining and engineering reclamation is evaluated. Figures:

Fig. 1. Depleted ballast quarry layout: a - conventional non-mining flanks arrangement; b - reduced bottom area and inter-bench decks extension Fig. 2. Layout of depleted ballast quarry with bottom shifting: a - along diagonal center line; b - along horizontal center line

Fig. 3. Forestry eco-system as reference model of regeneration in the ballast quarries Keywords

Surface mining, Ballast quarries, Disturbed lands reclamation, Engineered soil mix, Forestry eco-system, Soil layer fertility.

References

1. Zenkov I.V., Yuronen Yu.P., Nefedov B.N. & Baradulin I.M. Remote sensing in estimation of forest ecosystem generation at crushed stone quarries in Siberia. Eurasian mining, 2016, Vol. 1, pp. 50-54.

2. Zenkov I.V. & Baradulin I.M. Obosnovanie konechnoy formy shchebenochnykh kar'erov Sibiri v tselyakh lesotekhnicheskoy rekul'tivatsii [Ultimate pit limit substantiation for the purpose of forestry reclamation of lands at ballast quarries in Siberia]. GornyiZhurnal - Mining Journal, 2016, No. 3, pp. 85-88.

3. Zenkov I.V. & Baradulin I.M. Rezul'taty issledovaniya usloviy poyavleniya i formi-rovaniya rastitel'nogo pokrova v otrabotannykh shchebenochnykh kar'erakh [Study results of vegetation emergence and formation in depleted crushed stone quarries]. Ugol'- Russian Coal Journal, 2017, No. 12, pp. 69-71. Available at: http:// www.ugolinfo.ru/Free/122017.pdf (accessed 15.01.2018).

4. Zenkov I.V. & Baradulin I.M. Issledovanie usloviy formirovaniya i kharakteristik lesnykh ekosistem v otrabotannykh shchebenochnykh kar'erakh v Krasnoyar-

skom krae [Study results of vegetation emergence and formation in depleted crushed stone quarries in Krasnoyarsk Krai]. Ugol' - Russian Coal Journal, 2018, No. 1, pp. 81-83. doi: 10.18796/0041-5790-2018-1-81-83.

5. Ulrikh D.V., Denisov S.E. & Timofeyeva S.S. Otsenka vliyaniya gornodobyvay-ushchih i pererabatyvayushchih predpriyatiy na ekologicheskuyu obstanovku v CHelyabinskoy oblasti [Evaluation of mining and processing enterprises impact on environmental situation in Chelyabinsk district]. Gornyy Zhurnal - Mining Journal, 2015, No. 5, pp. 94-99.

6. Semina I.S., Androkhanov V.A. O rekultivatsii narushennyh zemel na razrezah Kuzbassa [On disturbed lands reclamation in Kuzbass open-pit mines]. Gornyy Informatsionno-Analiticheskiy Byulleten' - Mining Information and Analytical Bulletin, 2014, No. 12, pp. 307-314.

7. Tarazanov I.G. Russia's coal industry performance for January - September, 2017. Ugol' - Russian Coal Journal, 2018, No. 1, pp. 18-32. doi: 10.18796/0041 -5790-2018-1-18-32.

8. Yanovsky A.B. Main trends and prospects of the coal industry development in Russia. Ugol' - Russian Coal Journal, 2017, No. 8, pp. 10-14. doi: 10.18796/00415790-2017-8-10-14. Available at: http://www.ugolinfo.ru/Free/082017.pdf (accessed 15.01.2018).

9. Abdullah M.M., Feagin R.A., Musawi L., Whisenant S. & Popescu S. The use of remote sensing to develop a site history for restoration planning in an arid landscape. Restoration Ecology, 2016, Vol. 24(1). pp. 91-99.

10. Zweig C.L. & Newman S. Using landscape context to map invasive species with mediumresolution satellite imagery. Restoration Ecology, 2015, Vol. 23(5), pp. 524-530.

11. Borrelle S.B., Buxton R.T., Jones H.P. & Towns D.R. A GIS-based decision-making approach for prioritizing seabird management following predator eradication. Restoration Ecology, 2015, Vol. 23(5), pp. 580-587.

12. Strunk S., Houben B. & Krudewig W. Controlling the Rhenish opencast mines during the transition of the energy industry. World of Mining - Surface & Underground, 2016, Vol. 68(5), pp. 289-300.

13. Shoo L.P., Scarth P., Schmidt S. & Wilson K.A. Reclaiming Degraded Rainforest: A Spatial Evaluation of Gains and Losses in Subtropical Eastern Australia to Inform Future Investment in Restoration. Restoration Ecology, 2013, Vol. 21(4), pp. 481-489.

14. Sena K., Barton C., Hall S., Angel P., Agouridis C. & Warner R. Influence of spoil type on afforestation success and natural vegetative recolonization on a surface coal mine in Appalachia, United States. Restoration Ecology, 2015, Vol. 23(2), pp. 131-138.