Обоснование горнотехнической рекультивации карьеров но добыче нерудных материалов для производства щебня
(на примере центральных районов Красноярскою края)
Введение
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И РЕКУЛЬТИВАЦИИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ИЗВЕСТНЯКА И ГРАНИТА
ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА СТРОИТЕЛЬНОГО И ДОРОЖНОГО ЩЕБНЯ .. 11
1.1. Анализ потребности увеличения добычи известняка и гранита для производства строительного и дорожного щебня
в Красноярском крае 11
1.2. Характеристика производственной деятельности и мероприятия по
рекультивации на карьерах по производству строительного и дорожного щебня в Красноярском крае 15
1.3. Анализ научных работ в области рекультивации земель при разработке
месторождений для производства щебня в российском горном деле 23
1.4. Обзор зарубежных исследований по снижению техногенной нагрузки на природную среду со стороны объектов
горнодобывающей промышленности 28
1.4. Цель, задачи и методы исследований 38
ГЛАВА 2. НАУЧНО - МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
ИССЛЕДОВАНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ И ФАКТОРОВ ФОРМИРОВАНИЯ РАСТИТЕЛЬНОГО ПОКРОВА НА ТЕРРИТОРИИ ЩЕБЕНОЧНЫХ КАРЬЕРОВ 41
2.1. Разработка методики исследования качественных и количественных
показателей гумуссодержащих слоев в природном состоянии и на межуступных площадках щебеночных карьеров 41
2.2. Результаты исследований качественных и количественных показателей
плодородного слоя почвы и слоя потенциально плодородных пород в перспективных контурах щебеночных карьеров 53
2.3. Методические основы проведения полевых исследований участков 66
с техногенной смесью и травянистым покровом на территории действующих и отработанных щебеночных карьеров Красноярского края 66
2.4. Результаты исследования экологических показателей участков
с травянистым покровом на территории действующих и отработанных щебеночных карьеров Красноярского края 73
Выводы 85
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 86
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 88
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Справка об использовании результатов диссертационной работы 104
Актуальность работы. В 70 - 90-е гг. прошлого столетия в горном деле получает развитие новое направление хозяйственной деятельности с учетом устойчивого развития. К настоящему времени это направление оформилось как «Экологически безопасные, ресурсосберегающие производственные технологии». Это научное направление базируется на трудах академиков РАН В.В. Ржевского и К.Н. Трубецкого, докторов технических наук П.И. Томакова, М.И. Щалова, К.Е. Винницкого, В.А. Галкина, А.М. Демина, В.В. Истомина,A.П. Красавина, И.М. Ялтанца, А.Д. Рубана, В.С. Коваленко, М.А. Ревазова,B.А. Харченко, И.М. Щадова, Е.Л. Счастливцева, Ю.М. Овешникова, Н.Н. Ча-плыгина, И.В. Зенькова и др. В этом направлении работают научные школы ИПКОН РАН, МГГУ, Институт угля и углехимии СО РАН, ВНИИОС уголь и др.
В исследованиях в основном просматривается стремление снизить затраты на горные работы, повысить их эффективность, что идет вразрез с увеличением затрат на природоохранные мероприятия. В научном направлении «Создание технологий горнотехнической рекультивации горнопромышленных ландшафтов, образованных в щебеночных карьерах» до сих пор имеются резервы в одновременном повышении экологических показателей восстановления нарушенных земель со снижением затрат на производство работ по рекультивации.
К настоящему времени на всех действующих и отработанных щебеночных карьерах в центральной части Красноярского края актуальной становится разработка технологий горнотехнической рекультивации, обеспечивающих экологически приемлемые показатели формирования растительных экосистем и одновременное снижение затрат на ее проведение. Таким требованиям, на наш взгляд, удовлетворяют технологии горнотехнической рекультивации, в которых имеется возможность совмещения работ по формированию продуктивной смеси, содержащей гумус для ее нанесения на межуступные площадки нерабочих бортов карьеров, при совмещении работ по рекультивации с горными работами по добыче нерудных материалов.
Целью работы является обоснование технологий горнотехнической ре-культивации щебеночных карьеров, в которых комплексно обеспечиваются условия для формирования растительной экосистемы с высокими экологическими показателями при ее самовосстановлении, а также снижение затрат на производство работ по рекультивации.
Основная идея работы заключается в том, что высокие эколого-экономические показатели рекультивации щебеночных карьеров достигаются за счет нанесения на межуступные площадки техногенной смеси, сформированной из гумуссодержащих почвенных слоев, находящихся в контурах горного отвода карьера, в увязке с изменением архитектуры нерабочих бортов с разной географической ориентацией.
Задачи исследований:
1. Провести комплекс полевых работ по определению количественных и качественных характеристик гумуссодержащих плодородного слоя почвы (ПСП) и потенциально плодородных пород (ППП) в перспективных контурах горных отводов щебеночных карьеров.
2. Изучить количественные и качественные показатели техногенной смеси, нанесенной на межуступные площадки и откосы уступов, совместно с экологическими показателями молодых растительных экосистем, сформированных в щебеночных карьерах в ходе их самовосстановления.
3. Провести долговременный мониторинг экологического состояния нарушенных земель в отработанных щебеночных карьерах с использованием космических технологий дистанционного зондирования Земли.
4. Исследовать экологические показатели лесной экосистемы в щебеночных карьерах с различной географической ориентацией нерабочих бортов и выполнить экологическое обоснование формы карьерной выемки с привязкой конструкции нерабочих бортов к широтному и меридиональному направлениям.
5. Разработать технологии горнотехнической рекультивации земель, адаптированные к условиям щебеночных карьеров на территории центральных районов Красноярского края, и провести их технико-экономическое обоснование.
Научные положения, представленные к защите:
1. Продуктивность травянистого покрова при его самовосстановлении на межуступных площадках в конструкции нерабочих бортов щебеночных карьеров зависит от мощности нанесенной техногенной продуктивной смеси, качественные характеристики которой находятся в обратно пропорциональной зависимости от высоты экскаваторного забоя на выемке гумуссодержащего почвенного слоя в контурах горного отвода, формируемой в ходе горнотехнической рекультивации.
2. Годовые темпы прироста стволовой части и плотность особей лесной экосистемы, формирующейся в условиях самовосстановления на межуступных площадках в щебеночном карьере, находятся в зависимости от географической ориентации его нерабочих бортов относительно сторон света и мощности продуктивной смеси, нанесенной на эти площадки.
3. Снижение затрат в горнотехнической рекультивации щебеночных карьеров достигается за счет использования гидравлических экскаваторов при нанесении продуктивной техногенной смеси на межуступные площадки путем ее многократной переэкскавации, а изменение конструкции нерабочих бортов карьеров в увязке с их географической ориентацией при совмещении работ по ре-культивации с горными работами по добыче нерудного сырья обеспечивает высокие экологические показатели формирующихся растительных экосистем.
Научная новизна:
1. Выявлены особенности пространственного изменения мощности и содержания гумуса в почвообразующих слоях мощностью от 0,4 до 1,6 м, стратиграфически расположенных в верхней части вскрышной толщи, на территориях, прилегающих к отработанным и разрабатываемым месторождениям нерудного сырья в центральных районах Красноярского края. Установленное изменение содержания гумуса в формируемой техногенной смеси из ПСП и ПЛИ в различном соотношении является важнейшей составляющей геоинформационной базы в прогнозировании экологических показателей растительных экосистем при их самовосстановлении на межуступных площадках щебеночных карьеров.
2. Раскрыт и обоснован характер изменения количественных показателей молодых лесных экосистем, сформированных на территории щебеночных карьеров, в зависимости от пространственного расположения нерабочих бортов относительно сторон света, мощности продуктивной техногенной смеси, нанесенной на межуступные площадки, и содержания в ней гумуса как основного питательного вещества.
3. На основе прогнозирования экологических показателей молодых расти-тельных экосистем в щебеночных карьерах разработан новый системный подход к формированию технологий горнотехнической рекультивации земель, который в отличие от существующих подходов позволяет производить трансформацию конструкции нерабочих бортов карьеров с учетом их пространственного расположения и формировать продуктивную смесь с прогнозируемыми качественными характеристиками и экологическими показателями для ее нанесения на межуступные площадки бортов карьеров.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций работы подтверждается высокой схожестью результатов теоретических исследований с результатами полевых исследований, проведенных в перспективных контурах горных отводов щебеночных карьеров; корректным использованием математического аппарата и основных положений теории статистики; использованием космических технологий дистанционного зондирования Земли, освобожденных от субъективных оценок; результатами лабораторных исследований почвенных образцов, проведенных аккредитованной испытательной станцией ФГУ САС «Солянская».
Научное значение работы заключается в обосновании значимости установленных зависимостей изменения экологических показателей растительных экосистем, формирующихся в щебеночных карьерах, от мощности техногенной продуктивной смеси, нанесенной на межуступные площадки нерабочих бортов, содержания в ней гумуса, географической ориентации нерабочих бортов карьеров при обосновании архитектуры горнопромышленных ландшафтов и технологий горнотехнической рекультивации, комплексно обеспечивающих максимально возможные экологические показатели и снижение затрат на эти работы.
Практическое значение работы заключается в создании методики прогнозирования качественных показателей продуктивной техногенной смеси, формируемой для ее нанесения на межуступные площадки щебеночных карьеров; в создании методики прогнозирования экологических показателей расти-тельной экосистемы, формирующейся при самовосстановлении на межуступных площадках с нанесенной техногенной смесью с устанавливаемыми качественными и количественными характеристиками; в обосновании структур комплексной механизации работ по проведению горнотехнической рекультивации на межуступных площадках нерабочих бортов карьеров, обеспечивающей высокие экологические показатели растительных экосистем и снижение затрат.
Реализация результатов работы. В 2013 - 2015 гг. работа выполнялась в соответствии с Программой фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2013 - 2020 гг. и планом научно-исследовательских работ СКТБ «Наука» КНЦ СО РАН на 2013 - 2017 гг. согласно проекту «Модели и технологии информационного обеспечения для оценки состояния, прогнозирования и управления экологическими системами, территориальными комплексами и природно-техногенной безопасностью регионов». В 2016 - 2017 гг. работа выполнялась в соответствии с государственным заданием по теме «Теоретические основы, алгоритмическое обеспечение и информационные технологии для решения фундаментальных и прикладных задач исследования сложных техногенных, природных и биологических систем (№ гос. задания 0316 - 2016 - 0002)».
Апробация работы. Результаты работы докладывались на международных и Всероссийских научно-практических конференциях: «Энергетическая безопасность России: новые подходы к развитию угольной промышленности» (Кемерово, 2014); «Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов» (Новокузнецк, 2014 - 2016); «Решетневские чтения» (Красноярск, 2015) и др.
Личный вклад автора. Диссертационная работа явилась результатом многолетних комплексных исследований, проведенных на территории разрабатываемых и отработанных щебеночных карьеров в центральной части Красноярского края. Автором сформулированы основные идеи исследований, он принимал непосредственное участие в организации и проведении исследований на базе ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» и Специального конструкторско-технологического бюро «Наука» КНЦ (с 2016 г. НВТ) СО РАН.
Публикации. По материалам исследований опубликовано 35 статей (из них 10 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 5 в журналах из международной базы Scopus), 2 монографии.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 130 наименований, приложения и включает 85 рисунков и 25 таблиц. Общий объем работы с приложением 191 страница.
В работе решена крупная научная задача, связанная с разработкой технологий горнотехнической рекультивации щебеночных карьеров, обеспечивающих высокие экологические показатели растительной экосистемы при ее самовосстановлении и снижение затрат на работы по рекультивации.
1. Установлено, что на территории, граничащей с горными отводами щебеночных карьеров, имеется возможность формирования в ходе выполнения горнотехнического этапа рекультивации техногенной продуктивной смеси, содержащей гумус в диапазоне 1,2 - 7,8 %, из верхних почвенных слоев, стратиграфически расположенных в верхней части первого вскрышного уступа.
2. В ходе полевых работ и лабораторных исследований, проведенных ФГУ САС «Солянская» (аккредитована Госстандартом), достоверно доказано, что продуктивность травянистого покрова на межуступных площадках нерабочих бортов отработанных карьеров находится в зависимости от мощности слоя продуктивной смеси, а также от содержания в ней гумуса. Оптимальная мощность слоя продуктивной смеси установлена в диапазоне 0,4 - 0,5 м для карьеров по разработке известняков и в диапазоне 0,5 - 0,6 м для карьеров по разработке доломитов и гранита.
3. Плотность деревьев и годовые темпы прироста сосны в лесной экосистеме, формирующейся в щебеночных карьерах после их отработки, находятся в зависимости от географической ориентации борта карьера. Минимальные годовые темпы прироста сосны на уровне 30 - 35 см установлены на северных и западных бортах карьеров, а максимальные - на уровне 45 - 50 см на южных и восточных бортах, повернутых на север и запад.
4. Результаты дистанционного мониторинга свидетельствуют о том, что формирование лесной экосистемы на нерабочих бортах щебеночных карьеров происходит более значительными темпами на бортах, обращенных на север и запад, что необходимо учитывать при постановке бортов карьера в нерабочее положение.
5. Исследованиями эколого-математической модели формирования растительной экосистемы в щебеночных карьерах установлена экологически приемлемая форма карьерной выемки при смещении дна карьера размером 50x50 м в его северо-западный угол с формированием двух нерабочих бортов, повернутых на восток и юг, с межуступными площадками шириной не более 6 м, обеспечивающими безопасный проход гидравлического экскаватора при горнотехнической рекультивации, и двух бортов, обращенных на восток и север, удельный вес площади которых является максимальным в структуре площади карьера.
6. При нанесении продуктивной смеси слоем мощностью 0,5 - 0,6 м, со-держащей гумус, на межуступные площадки шириной до 6 м в конструкции нерабочих бортов целесообразно использование гидравлических экскаваторов типа «обратная лопата» путем ее многократной переэкскавации в направлении от верхней площадки к нижней. Этим обеспечиваются экологически оптимальные показатели травянистой растительности. Сокращение затрат на производство работ по нанесению продуктивной смеси на площадки двух нерабочих бортов карьера в размере 190 тыс. руб. достигается за счет использования гидравлического экскаватора на карьерах с размерами в плане 500x500 м и глубиной 50 м.
7. Из всех вариантов постановки бортов щебеночного карьера в нерабочее положение снижение затрат на производство работ по горнотехнической рекультивации на уровне 1 млн руб. и максимально возможные экологические показатели лесной экосистемы - плотность деревьев, прирост стволовой части в высоту - обеспечивает вариант завершения горных работ с минимальной площадью дна карьера, смещенного в его северо-западный угол, что в свою очередь обеспечивает максимальный удельный вес нерабочих бортов, ориентированных на север и запад в площади карьера. Мощность слоя продуктивной смеси для восстановления на ней лесной экосистемы обоснована на уровне 1,0 м.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
