Горнопромышленные морфосистемы Прибайкалья

УДК 528.946

ГОРНОПРОМЫШЛЕННЫЕ МОРФОСИСТЕМЫ ПРИБАЙКАЛЬЯ В.П.Ступин1

Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Рассмотрены закономерности и особенности структуры и функционирования геоморфосистем на основе горнопромышленного рельефа Байкальского региона. Проведена классификация горнопромышленных морфосистем в интересах их дальнейшего исследования и картографирования. Приведены морфологические, морфометриче-ские и литодинамические характеристики различных типов горнопромышленных морфосистем. Ил. 3. Библиогр. 5 назв.

Ключевые слова: горнопромышленный рельеф; картографирование морфосистем.

MINING MORPHOSYSTEMS OF TRANSBAIKALIA V.P.Stupin

Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074

The author considers the regularities and features of structure and functioning of geomorphosystems based on the mining topography of Baikal region. The author carries out the classification of mining morphosystems for their further studies and mapping. He presents morphological, morphometric and lithodynamic characteristics of different types of mining morphosystems. 3 figures. 5 sources.

Key words: mining relief; mapping of morphosystems.

Территории, прилегающие к Байкалу (Прибайкалье в широком смысле этого слова), относятся к регионам с хорошо развитой горной промышленностью самого разнообразного профиля. Здесь ведется или велась добыча угля в районе городов Черемхово (Сафроновский и Черемховский разрезы), Тулун (Азейский разрез), Гусиноозерск (Холбольджинский разрез), а также в пределах Мугунского, Нукутского (Аларский разрез), Ишинского (Харанутский разрез) месторождений. Россыпное золото добывается в Ле-но-Витимском (Балахнинский, Апрельский, Артемов-ский, Кропоткинский, Мамаканский прииски) и Бирю-синском районах, а также на западном побережье Байкала. Месторождения слюды разрабатывают в Мамско-Чуйском районе. Тальк добывают на Онот-ском руднике. Залежи железной руды разрабатывают в Усть-Илимском районе (Коршуновский, Татьянин-ский и Рудногорский ГОК). Вольфрам и молибден извлекают в пределах Джидинского месторождения. Соль добывают в районе Усолья-Сибирского (Усоль-ский и Тыретский рудники). Мраморовидные известняки разрабатывают в пределах месторождения «Перевал» близ Слюдянки, гипса - на Заларинском руднике. Каолиновая глина добывается на Трошковском месторождении, кварцевые пески - на Тулунском. Повсеместно добывают строительные материалы - гравий, щебень, песок, глины и др. Многолетняя деятельность этих и других предприятий горнопромышленной отрасли привела к существенному возрастанию доли антропогенного рельефа в структуре ландшафта Прибайкалья, что, впрочем, весьма типично для всех промышленных регионов [1].

Знание особенностей морфологии, распространенности, приуроченности и динамики форм горно-

промышленного рельефа, а также глубокое понимание образующих и формирующих его процессов абсолютно необходимы в интересах рациональной организации добычи полезных ископаемых и оптимизации недропользования в регионе. При этом надо иметь в виду, что техногенный рельеф - это не просто неровности земной поверхности, созданные человеком, а сложное геоморфотехногенное пространство, представляющее собой материальное тело, состоящее из совокупности природных и техногенных компонентов, на которые действуют эндо-, экзо- и техногенные факторы [2].

Анализ, изучение и мониторинг таких сложных образований, как техногенный рельеф, целесообразно и удобно выполнять с точки зрения теории морфоси-стем, которые постулируются как результат нахождения неровностей (рельефа) земной поверхности в гравитационном поле Земли, т.е. как суперпозиции поля высот и поля силы тяжести. В результате такой суперпозиции происходит естественная дифференциация земной поверхности на морфосистемы разного ранга, характеризующиеся определенными закономерностями и особенностями структуры и направленности преобразующих их литодинамических потоков [3]. При таком подходе четко вырисовываются три самостоятельных, но взаимосвязанных направления исследований морфосистем: морфометрическое, морфолитологическое и морфодинамическое. Этот же подход позволяет провести научную классификацию горнопромышленных морфосистем в интересах их картографирования, в частности отработки содержания, легенды и методических приемов составления карт.

Согласно [4], среди разнообразия форм горнопро-

1Ступин Владимир Павлович, кандидат географических наук, доцент, тел.: 89517482242, e-mail: Stupinigu@mail.ru

Stupin Vladimir Pavlovich, a candidate of geographical sciences, an associate professor, tel.: 89517482242, e-mail: Stupinigu@mail.ru

мышленного рельефа в Прибайкалье, в первом приближении, по чисто морфологическим принципам, можно выделить:

- подземные и поверхностные выработанные вогнутые (отрицательные) формы, образовавшиеся вследствие удаления горных пород в процессе добычи полезных ископаемых;

- поверхностные аккумулятивные выпуклые (положительные) формы, сложенные перемещенной породой.

Форма и размерность горнопромышленных мор-фосистем предопределяет значения их основных геоморфологических параметров (высота, уклон, вертикальная и горизонтальная кривизна), набор структурных элементов, степень дискретизации фона, конфигурацию и напряженность полей потенциальной денудации, рисунок линий тока и в конечном итоге характер и интенсивность литодинамики [5]. В состав морфосистем (как вогнутых, так и выпуклых) обычно входят осложняющие (дочерние) формы, по отношению к которым материнская морфосистема является фоновой. Для иллюстрации сказанного на рис. 1 приведены основные каркасные элементы морфосистем типичного горнопромышленного рельефа, созданного при производстве открытых горных работ. Здесь цифрами 1 и 2 соответственно обозначены главные репеллеры (структурные линии, от которых начинаются нисходящие литопотоки) и аттракторы (линии, к которым эти потоки направлены) морфосистем, а цифрами 3 и 4 - соответственно второстепенные, осложняющие фоновую систему, репеллеры и аттракторы.

При анализе горнопромышленных форм рельефа следует различать морфологический (геоморфологический) и морфодинамический (морфосистемный) аспекты их строения, хотя пространственно они могут и совпадать (рис. 2). Так, с морфологической точки зрения борт карьера состоит из нескольких уступов, в свою очередь состоящих из откосов и берм. С морфо-

динамической же точки зрения - это морфосистема сложного склона, состоящая из подсистем простых (элементарных) склонов. Одновременно структурные линии борта карьера - бровки и подошвы уступов, с точки зрения концепции морфосистем представляют собой соответственно репеллерные и аттракторные линии, организующие структуру литодинамических потоков заключенных между ними склоновых систем.

Рис. 1. Главные морфодинамические элементы горнопромышленных морфоситем: I - отрицательных, II -положительных

Основными положительными морфосистемами, возникшими в результате открытых горных работ, являются морфосистемы отвалов вскрышных и вмещающих пород, складов, хвостохранилищ, а также насыпей и дамб вспомогательных транспортных и гидротехнических сооружений.

Местным базисом денудации, т.е. главным аттрактором литопотоков таких морфосистем, является подошвенная линия соответствующих им насыпных тел, которая обычно замкнута и хорошо выражена. Репеллеры представлены либо точками (в случае изомет-ричных форм), либо гребневыми линиями (в случае вытянутых). Их положение не всегда легко установить без детальной топографической съемки, особенно для уплощенных или сложных бугристых систем. Элементарные поверхности положительных морфосистем имеют выпуклый или прямой профиль, свойственный денудационным системам. В плане эти поверхности характеризуются изометричной или вытянутой выпук-

Рис. 2. Соответствие морфологических и морфодинамических элементов отрицательных горнопромышленных морфосистем

лой формой, что свидетельствует о рассеянии (дивергенции) присущих им литодинамических потоков.

Крутизна скатов таких систем ограничена углом естественного откоса их сыпучего субстрата, который, в свою очередь, зависит от гранулометрического и вещественного состава грунта, а также его влажности и консистенции и составляет 15-40°. Высота одноярусных отвалов (или высота уступов многоярусных) зависит от используемой техники и составляет: при плужном отваливании - 15 м; экскаваторном -25-30 м; бульдозерном - 25-30 м (скальный грунт), 1520 м (песчаный грунт), 10-15 м (суглинки и глины).

Для сложных склонов многоярусных отвальных морфосистем рассматриваемого типа характерен неровный, волнистый или ступенчатый, но также в целом выпуклый профиль.

Положительные морфосистемы могут развиваться как самостоятельно, (терриконы, дражные отвалы, хвостоотвалы), так и в качестве осложняющих (драпировочных) подсистем в составе фоновых отрицательных морфосистем (отвалов и насыпей в пределах карьеров, разрезов и полигонов).

По форме поверхности и отчасти по высоте указанные морфосистемы подразделяют на:

- морфосистемы с ровной распластанной поверхностью, созданные в результате транспортировки пород вскрыши, эфелей, шлама или хвостов обогащения гидравлическими машинами; относительные высоты отвалов и гидроотвалов, к которым они приурочены, не превышают 2-3 м, хотя их мощность может составлять несколько десятков метров;

- морфосистемы с платообразной поверхностью, сформированные посредством одноярусной отсыпки вскрышных пород бульдозерами или скреперами; их средняя высота указана выше;

- морфосистемы террасированных поверхностей, образованные при многоярусной транспортной отсыпке экскаваторами или самосвалами; высота таких форм может достигать многих десятков метров;

- морфосистемы с гребнеобразной поверхностью, образующиеся при отсыпке отвалов драгами в пределах карьерного поля. Высота дражных отвалов обычно составляет 8-15 м. Пример такой морфосистемы приведен на рис. 3. Здесь показан участок речной поймы, на котором производилась добыча россыпного золота дражным способом. На рис. 3 показаны гребневидные дражные отвалы (1), заполненные (2) и незаполненные (3) водой дражные выемки, а также коренные непереработанные берега реки (4).

Основными отрицательными морфосистемами, образовавшимися в результате открытых разработок, являются морфосистемы на основе выемок (карьеров, разрезов, полигонов), а также различных траншей и канав. Они так же, как и положительные морфосисте-мы в целом, имеют выпуклый, прямой или ступенчатый профиль, что предопределяет денудационное развитие их бортов. В то же время положение таких морфосистем в окружающем рельефе обусловливает их роль как коллекторов денудированного вещества, т.е. аккумулятивных морфосистем. В плане эти мор-фосистемы обычно замкнуты, реже полузамкнуты и

имеют вогнутый профиль, для которого характерно схождение (конвергенция) литодинамических потоков, начинающихся от репеллерных линий, приуроченных к ограничивающим соответствующие формы бровкам. Аттракторы таких систем обычно точечные донные, множественные у сложных систем, или линейные в виде донных тальвегов. Расположены в пределах днищ соответствующих этим морфосистемам форм. Максимальная высота осложняющих рассматриваемые морфосистемы уступов зависит от типа используемой техники и составляет: для механических лопат 10-20 м; для многочерпаковых экскаваторов верхнего черпания 10-30 м, нижнего черпания 10-40; для драглайнов 10-35 м. Ширина берм обычно составляет около трети высоты уступа.

По морфологии поверхности, определяемой геометрией залегания и вскрытия полезного ископаемого, можно выделить следующие отрицательные морфосистемы:

- выровненные мульды глубиной около десяти метров, характерные для месторождений горизонтального или пологого моноклинального залегания с малой мощностью вскрыши;

- гребневидные мульды, характерные для аналогичных месторождений при большей мощности вскрыши или при разработке россыпей, большей частью сложенных пустой породой, карьерным способом. Такие формы по днищу выработанной части обычно осложнены положительными гребнеобразными морфосистемами отвалов;

- вытянутые трапециевидные малоамплитудные опускания, сформированные в процессе разработки вытянутых горизонтальных или моноклинальных залежей малой мощности. Не осложнены аккумулятивными формами в пределах карьерного поля, так как породы вскрыши удаляются во внешние бортовые отвалы драглайнами или экскаваторами;

- трапециевидные террасированные карьеры, которые формируются при разработке полого или крутопадающих глубоких залежей большей мощности; вскрышные породы складируются во внутренние отвалы, где и формируются осложняющие положительные морфосистемы;

- циркообразные террасированные морфосисте-мы, которые образуются при разработке глубокозале-гающих залежей крутого падения, например - кимбер-литовых трубок; в пределах их днища обычно нет осложняющих фоновых положительных морфосистем, так как породы вскрыши удаляют во внешние отвалы. Ярким примером такой морфосистемы является карьер «Удачный», который имеет форму эллипса размером 2100х1700 м. Борта карьера представляют собой сочетание откосов, предохранительных и транспортных берм со спирально-петлевой трассой. Углы откоса уступов изменяются от 60 до 75 градусов в зависимости от глубины их расположения. Высота рабочих уступов составляет 15 м. Проектная глубина карьера 600 м. (на 320 м ниже уровня моря);

- траншеи, полутраншеи и канавы, которые образуются при вскрышных, геологоразведочных или осушительных работах и представляют собой вытянутые

горизонтальные или наклонные выработки, протяженность которых значительно превышает их ширину.

Подземные горные работы также приводят к формированию разнообразных техногенных морфоси-стем. Анализ подземных образований выходит за рамки данной работы, поэтому кратко охарактеризуем лишь морфосистемы, образующиеся в результате закрытых горных разработок на земной поверхности. Они во многом схожи с морфосистемами открытых горных работ, но имеют и свою специфику.

К положительным морфосистемам этого типа относятся морфосистемы отвалов вскрышных и вмещающих пород, а также морфосистемы хвосто- и шламохранилищ, оставшихся после обогащения руд. К отрицательным относятся морфосистемы различных прогибов, провалов и просадочных впадин, образующиеся на поверхности земли в результате оседаний и обрушений кровли подземных выработок.

Морфология и размеры положительных морфоси-стем определяются технологией разработки месторождений и отвалообразования.

Среди них можно выделить: конические; плоские или пологонаклонные; платообразные; платообразные террасированные; гребневидные.

Первый тип морфосистем соответствует простым отвалам терриконов, сформированным с использованием вагонеток и скипов. Ко второму типу относятся хвосто- и шламохранилища обогатительных фабрик, которые зачастую ограничены ограждающими дамбами. Три последующих типа образуются на отвалах, образованных при использовании автомобильного и железнодорожного транспорта при большом количестве отвального материала.

Морфология и размеры провально-просадочных морфосистем определяются глубиной их разработки, объемами и геометрией добываемых из недр полезных ископаемых. Среди них можно выделить:

- прогибы в виде мульд и неглубокие, но обширные провалы, возникающие после разработки горизонтальных или пологопадающих пластовых залежей;

- провалы в форме каньонов, образующиеся над выработками крутопадающих залежей;

- кольцевые глубокие, но неширокие провалы, образующиеся при разработке крутопадающих штоков.

Изложим некоторые выводы и ключевые моменты, полученные при анализе горнопромышленных морфо-систем исследуемой территории.

Антропогенные процессы, сформировавшие формы горнопромышленного рельефа, по своей направленности могут быть как деструктивными (денудационными), так и конструктивными (аккумулятивными). В то же время процессы, перерабатывающие эти формы, изначально являются денудационными и всегда направлены на разрушение склонов как положительных, так и отрицательных форм горнопромышленного рельефа и удаление продуктов разрушения нисходящими литодинамическими потоками.

Положительные техногенные формы рельефа (отвалы, терриконы, насыпи, дамбы и т.п.) сложены перемещенным субстратом, с нарушением характера его залегании, структуры и текстуры, а следовательно, и свойств исходного грунта. Поведение таких грунтов часто бывает непредсказуемым и, следовательно, опасным.

Размерность естественного и техногенного горнопромышленного рельефа вполне сопоставима, по крайней мере, на уровне мезоформ. Так, средняя площадь карьера строительных материалов составляет 30-250 га, карьера по добыче марганцевой руды или угля - 1000-2000 га, железорудного карьера - 150500 га. Глубина рудных карьеров в настоящее время достигает нескольких сотен метров, особенно глубоки разработки кимберлитовых трубок. Недалеко время, когда глубина карьеров достигнет 1000 м. Поскольку высота отвалов вряд ли будет более 100 м, увеличение объема вскрышных пород требует непропорционально большего увеличения площади отвалов. Так, что при глубине открытых работ 500-1000 м площадь отвала превышает площадь карьера в 4-7 раз. Другой пример: морфосистемы открытых разработок россыпных месторождений по своим морфологическим параметрам сопоставимы с естественными долинными формами рельефа - поймами, террасами, врезами долин боковых притоков.

100 200 300 400 500 м

Рис. 3. Типичная структура техногенного рельефа при добыче россыпного золота дражным способом _(пояснения в тексте)_

Развитие горнопромышленных морфосистем определяется как природными, так и антропогенными факторами. Первые представлены, прежде всего, исходным рельефом, грунтами и климатом. Эти факторы являются природно-спонтанными и поэтому трудно управляемы и зачастую непредсказуемы. В то же время антропогенный фактор вполне управляем, предсказуем и определяется, прежде всего, стратегией и технологией добычи полезных ископаемых, а также особенностями условий эксплуатации месторождений.

В отличие от природных рельефообразующих факторов, антропогенный фактор в равной степени действует как в соответствии, так и против силы тяжести, например, при выемке и транспортировке пород, т.е. относительно свободен от влияния гравитации. Однако после возникновения рукотворных форм они в полной мере оказываются вовлеченными в сферу действия рельефомоделирующих процессов, невозможных без участия силы тяжести.

Как правило, склоны насыпных форм горнопромышленного рельефа имеют крутизну, близкую к углу естественного откоса, а склоны выработанных форм - круче его, в зависимости от устойчивости вскрываемых пород. Это предопределяет крайнюю неустойчивость и динамичность таких склонов.

В естественных условиях процессы формирования и разрушения рельефа в течение длительного времени действуют параллельно, поэтому природные морфосистемы обычно функционируют в спокойном, «рабочем» режиме. Антропогенные же формы в масштабах геологического времени образуются практически мгновенно, а процессы формирования и разруше-

Библиографический список

ния их склонов разнесены во времени. Это приводит к коренной перестройке ранее существующего рельефа, быстрому изменению геодинамической обстановки и возникновению новых положительных и отрицательных морфосистем, работающих в «форс-мажорном» режиме. В пределах этих морфосистем изначально возникает напряжение поля потенциальной денудации и активно включаются процессы обратной связи, направленные на восстановление нарушенного динамического равновесия.

Внешнее проявление обратной связи в горнопромышленных морфосистемах выражается в форме интенсивных или даже катастрофических процессов: линейной эрозии, обвалов, оползней, осыпей, селей, термокарста, суффозии, солифлюкции, просадок, провалов и других негативных или нежелательных явлений. Незакреплённые растительностью поверхности подвергаются дефляции и служат источником пылевого загрязнения воздуха. Происходит перестройка гидродинамической обстановки субстрата новых морфо-систем - образование или деградация мерзлоты, обводнение или осушение грунтов, загрязнение подземных вод. Мы уже не говорим об эстетическом аспекте техноморфогенеза и возникающем в связи с ним психологическом дискомфорте человека, хотя этот аспект отнюдь не следует сбрасывать со счетов.

Все вышесказанное определяет специфику техногенного рельефа, а также актуальность и острую практическую необходимость серьезных и систематических исследований горнопромышленных морфоси-стем региона и отработки методов и методики его картографирования.

1. Горшков С.П. Экзодинамические процессы освоенных территорий. М.: Недра, 1982. 287 с.

2. Розанов Л.Л. Теоретические основы геотехноморфоло-гии. М.: Изд-во ИГ АН СССР, 1990. 189 с.

3. Ступин В.П. Выявление и дефиниция морфосистем в интересах картографирования рельефа // Геодезия и карто-

графия. М., 2009. №9. С. 30-38.

4. Попов В.Ф., Толстихин О.Н. Общая экология. Якутск: Изд-во Якутск. гос. ун-та, 2000. 380 с.

5. Ласточкин А.Н. Морфодинамический анализ. Л.: Недра, 1987. 256 с.

УДК 622.33

О НЕКОТОРЫХ РЕЗУЛЬТАТАХ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ УГЛЕДОБЫЧИ

Б.Л.Тальгамер1, Е.А.Коробкова2

1Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83. 2Черемховский государственный горнотехнический колледж, 665400, Иркутская обл., г. Черемхово, ул. Ленина, 26.

Сделан анализ прогнозов добычи угля в мире, стране, области и отдельными предприятиями на период 20002006 гг. в сопоставлении с фактическими данными. Табл. 2. Библиогр. 9 назв.

Ключевые слова: прогноз угледобычи; добыча угля.

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

Talgamer Boris Leonidovich , the Dean of the Mining Department, a doctor of technical sciences, a professor, tel. (3952) 405197, fax (3952) 405104, e-mail: gor@istu.edu

Коробкова Елена Ананьевна, зам. директора по учебной работе, тел.: (39546)50590, факс (39546)50140, е-mail: cheremgtk@mail.ru

Korobkova Elena Ananjevna, a deputy director for Educational Work, tel.: (39546) 50590, fax (39546) 50140, e-mail: che-remgtk@mail.ru