Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Исследование мер по защите и восстановлению растительного слоя почв и земельных угодий, подвергшихся воздействию горных разработок в буроугольных месторождениях

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Текст научной работыДиссертация по географии, кандидата технических наук, Райхерт, Наталия Людвиговна, Москва



МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО

ОБРАЗОВАНИЯ РФ РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ДРУЖБЫ НАРОДОВ

На правах рукописи

УДК 622.882

Райхерт Наталия Людвиговна

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕР ПО ЗАЩИТЕ И ВОССТАНОВЛЕНИЮ РАСТИТЕЛЬНОГО СЛОЯ ПОЧВ И ЗЕМЕЛЬНЫХ УГОДИЙ, ПОДВЕРГШИХСЯ ВОЗДЕЙСТВИЮ ГОРНЫХ РАЗРАБОТОК В БУРОУГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЯХ

Специальность 11.00.11 - «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Заслуженный изобретатель РФ, профессор, кандидат технических наук И.Л. Машковцев

МОСКВА-1999

1

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ......................................................3-6

1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Актуальность проблемы, выбор объектов исследования.................................................6-16

1.2. Обзор и выбор мер по защите и восстановлению растительного слоя почв и земельных угодий.........16-32

1.3. Выбор методов исследования........................32-33

1.4. Задачи исследования...................................33-34

2. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1. Восточно-Люторическое буроугольное месторождение Подмосковного бассейна.....................................34-35

2.2. Павловское буроугольное месторождение Приморского края................................................................36-44

2.3. Методика исследований................................44-45

2.4. Выводы......................................................45-46

3. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕР ПО ЗАЩИТЕ И ВОССТАНОВЛЕНИЮ

РАСТИТЕЛЬНОГО СЛОЯ ПОЧВ НА ПРИМЕРЕ ВОСТОЧНО-ЛЮТОРИЧЕСКОГО БУРОУГОЛЬНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ.

3.1. Исследование мер по уменьшению воздействия на растительный слой почвы и ее водный режим

шахтных вод......................................................46-53

3.2. Теоретические исследования органо-минеральных удобрений.........................................................53-58

3.3. Выделение активных штаммов микроорганизмов для получения органо-минеральных удобрений...............59-64

3.4. Экспериментальные исследования полученных комплексных органо-минеральных удобрений из углеотходов.

3.4.1. Лабораторные исследования удобрений..........69-71

3.4.2. Полевые исследования удобрений на малопродуктивных землях.................................71-74

3.5. Уточнение требований к органо-минеральным удобрениям из углеотходов, оценка эффективности внесения органо-минеральных удобрений........................................75-76

3.6. Выводы.......................................................77

4. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕР ПО УМЕНЬШЕНИЮ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОЧВ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ НА ПРИМЕРЕ ПАВЛОВСКОГО БУРОУГОЛЬНОГО

МЕСТОРОЖДЕНИЯ.

4.¡.Основные положения по уменьшению загрязнения почв с помощью приостановления ионообменных процессов.....................................................77-78

4.2. Выбор параметров мелиорантов.....................79

4.3. Полевые исследования по восстановлению содержания микроэлементов в растительном слое почв...........79-90

4.4.Оценка эффективности метода.........................91

4.5. Рекомендуемый комплекс мер по восстановлению нормального содержания микроэлементов в растительном слое почв.....................................................91-92

4.6. Выводы....................................................92

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................93-95

ЛИТЕРАТУРА....................................................117-127

ПРИЛОЖЕНИЯ:

2

I. Данные по распределению тяжелых металлов в Павловском буроугольном месторождении..............................96-109

II. Схема биореактора и его основные технические характеристики................................................ 11-112

III. Показатели кислотности почв в Павловском буроугольном месторождении.................................................113-116

ВВЕДЕНИЕ.

Актуальность темы диссертационной работы. Меры по охране окружающей среды в районах Восточно-Люторического буроугольного месторождения Подмосковного бассейна и Павловского буроугольного месторождения Приморского края, в которых ведется интенсивная подземная и открытая добыча угля, вызваны вредным влиянием промышленной разработки угля на растительный слой почвы и, как следствие, на возможность ее сельскохозяйственного использования.

Распространение вредного техногенного влияния в указанных условиях весьма обширно в результате подработки поверхностного слоя земли производственными процессами по добыче угля и из-за распространения взвешенной рудничной пыли, содержащей тяжелые металлы.

При подработке поверхности шахт нарушается режим грунтовых вод, на который оказывает существенное влияние и шахтная вода. Растительный слой почвы при этом становится малопригодным для выращивания сельскохозяйственной продукции или, в ряде случаев, исчезает вовсе. Распространение тяжелых металлов с рудничной взвешенной пылью приводит к их накоплению не только в почве, но и в растениях, произрастающих на ней, причем в количествах, во много раз превосходящих предельно допустимые концентрации (ПДК).

Все это делает весьма актуальными вопросы исследования по защите и восстановлению растительного слоя почвы и земельных угодий, подвергшихся воздействию горных разработок в указанных буроугольных месторождениях.

Целью диссертационной работы является разработка мер по защите и восстановлению растительного слоя почв в Восточно-Люторическом и Павловском буроугольных месторождениях.

Идея работы заключается в использовании для защиты и восстановления растительного слоя почв комплекса мер, заключающихся в применении для удобрений углеотходов горных предприятий или мелиорантов, приостанавливающих ионообменные процессы миграции тяжелых металлов, а также мер, предотвращающих негативное влияние шахтной воды на подпочвенные воды.

В соответствии с целью и идеей в работе поставлены и решены следующие основные задачи:

- поиск рациональных инженерных решений по защите почвенной влаги от контакта с шахтными водами;

- исследование активных штаммов почвенных микроорганизмов и препаратов на их основе для создания удобрений из углеотходов Восточно-Люторического буроугольного месторождения;

- теоретические исследования по приостановлению ионообменных процессов миграции тяжелых металлов в растительном слое почв Павловского буроугольного месторождения;

- лабораторные и полевые исследования удобрений с последующим посевом травосмесей на опытных делянках;

- уточнение требований к составу удобрений на основе проведенных в работе исследований.

Научные положения, выносимые на защиту и их новизна.

- Для условий Восточно-Люторического месторождения доказана эффективность применения органо-минеральных удобрений из углеотходов, повышающих плодородие нарушенных земель, при этом содержание азотобактера в растительном слое повышено в 2-3 и олигонитрофилов в 2-4 раза.

- Достигнуто приостановление ионообменных процессов при миграции тяжелых металлов и уменьшение их концентрации в растительной массе на землях Павловского месторождения за счет внесения в почву мелиорантов -

извести и жидкого стекла в соотношении 10:1, в массе около 11 т/га при рНка равном 5,3.

Практическое значение работы заключается:

- в разработке требований к комплексным органо-минеральным удобрениям (КОМУ) из углеотходов горных предприятий Восточно-Люторического буроугольного месторождения с учетом нарушения режима грунтовых вод, загрязнения или исчезновения растительного слоя почв;

- в разработке дополнительных мер по осушению пород и локализации шахтных вод при защите от них грунтовых и подпочвенных вод;

- в определении параметров мелиорантов, вносимых в почву для приостановления миграции тяжелых металлов и восстановления содержания микроэлементов в нарушенных почвах;

- в разработке технологических карт мероприятий для различных агротехнических приемов обработки полей.

Научная ценность работы состоит в разработке основных научно-практических положений по применению удобрений из углеотходов и мелиорантов при защите и восстановлении нарушенного добычей угля растительного слоя почв.

Методы исследований:

- анализ и обобщение российской и зарубежной научно-технической литературы, в том числе патентов на изобретения;

- теоретические и полевые исследования удобрений на основе углеотходов и мелиорантов;

- агрохимический и бактериологический анализ почв и выращенных на них растений.

Результаты внедрения: рекомендованные удобрения прошли успешную проверку на нарушенных горными работами землях Восточно-Люторического и Павловского буроугольного месторождений.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены на ХХХП-ХХХШ научных конференциях РУДН в 1996-1997 г.г.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, заключения, списка литературы из 103 наименований и трех приложений. Работа изложена на 140 страницах машинописного текста, включая 23 рисунка и 26 таблиц.

I. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Актуальность проблемы, выбор объектов исследования.

Подземная и открытая добыча угля наносят колоссальный ущерб природному ландшафту, приводят к нарушению земельных угодий и сокращению площадей плодородных земель. Так, при подземной добыче на 1 млн. тонн угля отчуждается в среднем 7,5 га, а при открытой добыче до 20117 га земель сельско- и лесохозяйственного назначения [12].

По состоянию на 1 января 1996 года общая площадь нарушенных земель в угольной промышленности Российской Федерации составила 106,4 тыс. га [32], при этом на долю земель сельскохозяйственного назначения, отводимых предприятиям угольной промышленности, приходится 79,8 тыс. га.

По видам нарушенных земель техногенные образования распределяются следующим образом: породные отвалы разрезов и участков открытых работ на шахтах - 64,6% общей площади нарушений, деформированные площади шахтной поверхности - 14,3%, породные отвалы шахт и обогатительных фабрик - 7,5%. Данные о площадях нарушенных и рекультивированных земель по годам представлены на рис. 1.1.

Другой одной из самых больших проблем в области охраны окружающей среды и связанной с ней охраной почв при разработке угольных месторождений является накопление твердых отходов угольного производства. Основные пути ее решения при открытой разработке - это

/

рекультивация нарушенных земель или же разборка породных отвалов с последующим использованием их в народном хозяйстве.

а)

б)

7 10% 6 3

9% 6 5 4 3 10% 8%

3% 4%1% 4%

Рис. 1,1. Диаграммы общих площадей нарушенных (а) и рекультивированных (б) земель в 1996 г. по угольным

бассейнам и месторождениям: 1 Восточный Донбасс 6 Подмосковный

2 Кузнецкий 7 Урала

3 Канско-Лчинский 8 Восточной Сибири

4 Печорский 9 Дальнего Востока

5 Якутский

Так, к примеру, каждая тысяча тонн угля, добытая подземным способом, сопровождается выдачей и размещением на земельной поверхности 110-150 куб. м различных вмещающих пород, а каждая тысяча тонн обогащенного твердого топлива - складированием 100-120 куб. м пустых пород. При открытой (карьерной) разработке месторождений каменных и бурых углей добыча 1 тыс. тонн угля требует размещения на поверхности не менее 3,5 тысяч куб. м вскрышных пород в виде отвалов. Общий объем пород (с учетом отходов углеобогащения), образовавшихся при добыче и переработке угля (сланца) в Российской Федерации в 1997 г. составил 736,2 млн. куб. м. Данные [32] об изменении объемов образовавшихся и использованных вскрышных и вмещающих пород и отходов углеобогащения представлены на рис. 1.2.

Охрана земель на основе комплексного подхода к угодьям, как к сложным образованиям, с учетом их зональных и региональных особенностей ставит целью обеспечить улучшение и восстановление земель, подвергшихся деградации или нарушению; создать механизм учета и проверки экологического состояния земель, а также обеспечение собственников земли, землевладельцев, землепользователей и арендаторов экологическими нормативами режимов оптимального использования земельных участков [25].

Проект рекультивации земель и восстановления ранее отработанных площадей рассматривается еще на уровне оформления горного отвода [85].

Рис. 1.2. Гистограмма изменения объемов образовавшихся (1) и использованных (2) вскрышных (вмещающих) пород и отчодов обогащения угля в угольной промышленности Российской Федерации

При открытой добыче угля с внутренним и внешним отвалообразованием не только нарушается почвенный покров, но и полностью уничтожается экосистема, а учитывая, что дальнейшее развитие угольной промышленности России идет по пути увеличения удельного веса открытого способа разработки, как в направлении роста числа карьеров и их производительности, так и глубины их разработок, то это вызовет увеличение масштабов нарушенных земель, особенно сельскохозяйственных угодий [46].

Однако, отчуждение земель сельскохозяйственного назначения - это лишь одна из сторон проблемы, связанной с охраной земель при разработке угольных месторождений. Дело в том, что техногенному воздействию со стороны горного производства подвергаются не только земли, находящиеся непосредственно в производственной зоне, но и земли, лежащие в ее окрестностях. [1, 7,8].

Так, при открытой разработке угольных месторождений происходит также загрязнение почв тяжелыми металлами, которые, находясь преимущественно в виде рудничной пыли, в рассеянном состоянии способны образовывать локальные аккумуляции, где их концентрации во многие сотни и тысячи раз превышают кларковые уровни. Пыль образуется при истирании и рассеивании токсичных элементов во время работы механизмов. Природные угли содержат богатую гамму микроэлементов, как по концентрации, так и по их набору. В углях обнаружено 84 элемента, среди которых есть биогенные: В, Со, Си, ¥, Мп, Мо, Бе, К, а также токсичные: Ве, Аб, Ва, В, Сс1, Сг, Со, Б, РЬ, Бе, V, Ъъ. Часть из них переходит в рудничную пыль, а часть в подземные и поверхностные воды [44, 52, 90].

Особенностью техногенного загрязнения почв тяжелыми металлами является приуроченность их накопления и связывания с органической и

минеральной частью почвы в ее верхних генетических горизонтах. Боковой перенос способствует накоплению тяжелых металлов в почвах пониженных участков, в депонировании тяжелых металлов, прежде всего их подвижных соединений. Это депонирование приводит к дестабилизации благоприятных соотношений химических элементов в почве, к ухудшению минерального питания растений [13, 29] или чаще всего к их полной непригодности для употребления в пищу человеком и животными.

Что же касается площадей, занимаемых породными отвалами, то, как правило, они лишены плодородного почвенного слоя; самозарастание на них проявляется слабо, имеет место развитие эрозии.

Грунтосмеси нарушенных земель характеризуются низким содержанием питательных веществ (азот, фосфор, калий), отсутствием гумуса, низкой биологической активностью и небольшим содержанием микроорганизмов, которые участвуют в превращениях органо-минерального комплекса.

Исходя из балансов нарушенных земель и объемов снятого, использованного и заскладированного плодородного слоя почвы, около 5,7 тыс. га нарушенных земель угольной отрасли не обеспечены плодородным почвенным слоем [41 ].

В этой связи актуальной проблемой является поиск перспективных способов рекультивации земель без нанесения плодородного почвенного слоя, которые позволяют устранить существующий острый дефицит в нем, а также эффективно восстанавливать нарушенные земли, повышать урожайность выращиваемых на них растений и сельскохозяйственных культур и вместе с тем обеспечить охрану окружающей среды.

Специфические условия эксплуатации угольных месторождений (разнообразие геологических и климатических условий, многовариантность способов разработки, различных видов нарушений и форм техногенного рельефа) обуславливают необходимость создания и освоения экологически

чистых и экономически оправданных способов восстановления нарушенных горными работами земель.

Таким способом является биотехнологический, основанный на применении активных штаммов микроорганизмов, участвующих в превращении углерода, фосфора, калия и азота потенциально плодородных пород и переводящих их в усвояемую форму, мобилизующих потенциальное плодородие обрабатываемого субстрата и способствующих накоплению в нем органического вещества и элементов питания в доступной для высших растений форме, благодаря чему на поверхности бесплодных грунтов создается растительно-плодородный слой в течение первого года рекультивации.

Эта технология разработана специалистами МНИИЭКО ТЭК (Межотраслевой научно-исследовательский институт экологии топливно-энергетического комплекса) и успешно прошла промышленные испытания и внедрена на предприятиях производственных объединений «Средазуголь», «Карагандауголь», «Кизелуголь», «Приморскуголь». Разработанная технология не имеет аналогов в мировой практике и защищена 13 патентами РФ, в том числе США, Канады, Германии, Великобритании, Италии, Испании, Чехии и Словакии [38].

При разработке ускоренной рекультивации нарушенных земель было учтено, что вскрышные и вмещающие породы, добытые попутно