Обоснование геотехнологических методов повышения экологической безопасности освоения маломасштабных месторождений

Сабянин, Георгий Васильевич

Автореферат диссертации по теме "Обоснование геотехнологических методов повышения экологической безопасности освоения маломасштабных месторождений"

На правах рукописи

САБЯНИН Георгий Васильевич

ОБОСНОВАНИЕ ГЕОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ОСВОЕНИЯ МАЛОМАСШТАБНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Специальности: 25.00.36 — «Геоэкология», 25.00.22 -«Г'еогехнология (подземная, открытая и строительная)»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2006

Работа выполнена в Институте проблем комплексного освоения недр Российской академии наук

Научный руководитель

доктор технических наук ГАЛЧЕНКО Юрий Павлович

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор КАЛАБИН Геннадий Валерьянович

кандидат технических наук ОВЧАРЕНКО Оксана Васильевна

Ведущая организация

ГОУ ВПО «Российский государственный геологоразведочный университет имени Серго Орджоникидзе»

Защита состоится 17 октября 2006 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 002.074.01 Института проблем комплексного освоения недр РАН: 111020, Москва, Е-20. Крюковский тупик, 4, факс: (495)360 8960.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института проблем комплексного освоения недр РАН.

Автореферат разослан «15» сентября 2006 г. -

Ученый секретарь диссертационного совета канд. техн. наук .

Шрадер Э.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Развитие современной цивилизации основано на минеральном сырье, получаемом из литосферы. Геологическая заданность расположения месторождений полезных ископаемых приводит к тому, что добывающие предприятия играют роль авангарда техногенного вторжения в естественную биоту Земли. Между числом месторождений и количеством находящихся в них запасов устанавливается довольно строгая математическая зависимость: чем крупнее месторождение, тем оно реже встречается, и, наоборот. Эта зависимость имеет универсальный характер и указывает на постоянно расширяющуюся перспективу увеличения числа маломасштабных месторождений. Именно поэтому величина и характер экологических последствий их освоения в значительной степени определяют условия изменения биотопов и возможности сохранения естественной биоты.

Разработка любого месторождения в экологическом плане всегда представляет собой развитие во времени и пространстве природно-технической системы, в которой обе составляющие находятся в антагонистическом противоречии. При этом все экологические ограничения определяются законами развития природы, а возможности выполнения этих ограничений связаны с особенностями и свойствами применяемых геотехнологий. Поэтому в рамках поиска общей концепции совместного и бесконфликтного развития техно- и биосферы особую актуальность приобретает проблема коренного изменения самого подхода к созданию геотехнологий и формирования концептуально новой методологии их построения на принципах устранения причин экологических опасностей.

Объект исследований — процесс совершенствования природно-технических систем освоения маломасштабных месторождений.

Предмет изучения — изменение геотехнологии в условиях ужесточения экологических ограничений.

Цель диссертации — обосновать геотехнологические методы повышения экологической безопасности подземного освоения маломасштабных рудных месторождений.

Идея диссертации заключается в том, что в природно-технических системах подземной разработки месторождений защита природной составляющей обеспечивается путем трансформации принципов её функционирования в техническую составляющую.

Основные научные задачи:

• исследование структуры природно-технических систем освоения маломасштабных месторождений и особенностей взаимодействия их природной и технической компонент;

• обоснование требований к геотехнологиям в условиях экологического императива и биогенных путей их выполнения;

• разработка методологии трансформации биогенных принципов в геотехнологию;

•обоснование и исследование способов реализации биогенных принципов построения экогеотехнологий подземного освоения маломасштабных месторождений;

• создание методических основ оценки экологических и экономических последствий применения экогеотехнологии.

В работе использован комплексный метод исследований: анализ и обобщение материалов литературных и фондовых источников, структурно-функциональный анализ и синтез, графоаналитический и гомеостатический методы, натурный эксперимент и аналитическая обработка его результатов.

Защищаемые научные положения:

• определение понятия маломасштабного месторождения должно включать в себя экологическую составляющую в виде ограничения размера зоны техногенного поражения естественной биоты условиями развития процесса самовосстановления фитоценоза по короткопроизводному циклу;

• экологическая безопасность природно-технических систем освоения маломасштабных месторождений определяется степенью единообразия принципов функционирования природной и технической составляющих этих систем;

• при , разработке маломасштабных месторождений выбор рациональных параметров экогеотехнологии определяется не только общепринятыми горногеологическими факторами, но и величиной показателя сложности формы рудных тел и степенью его анизотропии по падению и простиранию;

• экогеотехнология освоения маломасштабных месторождений, построенная по биоинженерным принципам, даёт возможность изменения структуры экологического воздействия на естественную биоту и устранения наиболее опасных для биоты техногенных факторов.

Достоверность научных положений подтверждается соблюдением преемственности в отношении научных положений, обоснованных учеными-предшественниками и апробированных в процессе многолетнего применения в науке и практике; надёжностью применяемых традиционных методов исследований; достоверностью и представительностью используемой в расчетах информации; апробацией результатов на производстве и в широком кругу специалистов.

Научная новизна основных результатов диссертации заключается в теоретическом и методическом обосновании геотехнологических путей обеспечения экологической безопасности освоения маломасштабных месторождений.

В работе впервые:

• систематизированы особенности строения природно-технических систем освоения маломасштабных месторождений, определяющих характер экологических последствий;

• разработана классификация техногенных факторов горного производства при разработке маломасштабных месторождений;

• установлены закономерности обращения вещества литосферы в процессе разработки маломасштабных месторождений;

• обоснованы биоинженерные принципы построения экологически безопасных подземных геотехнологий

• разработана методика количественной оценки изменчивости формы рудных тел жильного типа, выбора технологии очистных работ и параметров очистной выемки;

• предложены концепция экологической цены продукции горного производства, метод её определения и критерий оценки степени экологической безопасности геотехнологии.

Научное значение диссертации. Разработан новый подход к решению проблемы экологической безопасности освоения маломасштабных месторождений, основанный на биоинженерных принципах построения геотехнологий и созданы теоретические основы выбора параметров этих геотехнологий с учётом локальной изменчивости формы рудных тел и неравномерности их оруденения.

Практическое значение диссертации заключается в создании типоразмерного ряда вариантов систем разработки с выемкой руды по простиранию, в конструкции которых учтены как технико-экономические требования, так и экологические ограничения.

Результаты работы могут быть использованы:

• в практике научно-исследовательских и проектных институтов, связанных с проблемами освоения маломасштабных месторождений;

• в практике оперативного руководства природоохранной деятельностью на предприятиях;

• в качестве методического обеспечения при организации учебного процесса при подготовке специалистов в области геоэкологии и геотехнологии.

Личный вклад автора состоит: в выборе и научном обосновании методов исследования, разработке технологических способов реализации биогенных принципов построения экогеотехнологий подземного освоения маломасштабных месторождений, научной интерпретации полученных результатов и проведении промышленных испытаний технологии выемки жил вертикальными прирезками по простиранию. Все результаты, включенные в диссертацию, получены лично автором и с достаточной полнотой отражены в публикациях.

Апробация работы. Основные научные положения и результаты исследований обсуждались на научных конференциях и симпозиумах: "Проблемы геотехнологии и недроведения (Мельниковские чтения)" (Екатеринбург, ИГД УрО РАН, 1998), "Экологобезопасные технологии освоения недр Байкальского региона" (Улан-Удэ, 2000), "Научные и практические аспекты добычи цветных, редких и благородных металлов"

(Хабаровск, ИГД ДВО РАН, 2000), "Физические проблемы разрушения горных пород" (Абаза, 2003), "Новые идеи в науках о Земле" (Москва, РГГРУ, 2005), "Неделя горняка" (Москва, МГГУ, 1999-2006), "Наука и новейшие технологии при поисках, разведке и разработке месторождений полезных ископаемых" (Москва, РГГРУ, 2006).

Публикации. Результаты исследований отражены в 23 опубликованных работах; в изданиях, рекомендованных ВАК — 13. Новизна технологических решений защищена авторским свидетельством СССР и патентом РФ.

Структура и объем работы. Диссертация работа изложена на 162 страницах текста и состоит из введения, четырёх глав, заключения. Содержит 32 рисунка, 19 таблиц, список литературы из 119 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Освоение запасов любого месторождения неизбежно связано с полным или частичным разрушением как абиоты, так и биоты природных экосистем. При этом применяемые геотехнологии полностью определяют глубину дигрессии естественной биоты.

В мировой научной теории и практике исследованием экологических последствий антропогенной нарушенности земель начали активно заниматься с 60-х годов прошлого века. Большой вклад в решение экологических проблем при развитии минерально-сырьевого комплекса в нашей стране внесли академики В.И.Вернадский, В.Н.Сукачев, Н.Н.Моисеев, К.Н.Трубецкой, В.И.Осипов, член-корр. РАН В.И.Данилов-Данильян, доктора технических наук Н.В.Демин, Г.В.Калабин, Н.Ф.Реймерс, М.Е.Певзнер, К.М.Петров, А.И.Агошков, Н.Н.Чаплыгин, Ю.П.Галченко, В.И.Папичев и др.

Выполненный анализ современных представлений о маломасштабном месторождении показал, что это понятие определяется, с различными нюансами, по величине разведанных запасов, а понятие малое предприятие — по экономическим характеристикам или численности персонала. Любое добывающее предприятие, вписанное в один из биомов естественной биоты Земли, следует рассматривать как детерминированную природно-техническую систему, в которой составляющие её части являются антагонистами по отношению друг к другу. Именно поэтому понятие маломасштабного месторождения, как объекта освоения запасов с разрушением части природной среды, должно включать в себя характеристику обеих составляющих.

Так как в рамках настоящей работы речь идёт о малом масштабе рассматриваемого добывающего предприятия и источника техногенных воздействий, то в основу идентификации этого объекта целесообразно положить принцип одноэтапности его существования. Поэтому независимо от формы идентификации маломасштабного месторождения по технико-экономическим факторам, определение этого понятия должно включать в себя экологическую составляющую в виде ограничения

размера зоны техногенного поражения условиями развития процесса самовосстановления фитоценоза по короткопроизводному циклу.

Эти месторождения представляют собой самую многочисленную группу месторождений, относящихся по генезису к жильному типу и расположенных большей частью в районах с гористым рельефом на значительном удалении от транспортных магистралей. При этом основное количество осваиваемых и перспективных маломасштабных месторождений расположено в биомах первичной биоты, слабо затронутых антропогенным воздействием.

Горнотехнические условия разработки маломасштабных месторождений характеризуются преобладанием крутопадающих рудных жил сложной формы с различной степенью изменчивости по падению и простиранию мощностью от 0,5 до 4,5 метров с высоким качеством руды, но относительно невысокой рудоносностью, залегающих в породах средней и выше средней устойчивости. Более 70 % этих месторождений расположено в криолитозоне.

Развитием систем и технологий разработки жильных месторождений малой и средней мощности занимались многие крупные ученые-горняки: академик М.И.Агошков, доктора технических наук А.Ф.Назарчик, Н.Х.Загиров, Ю.П.Галченко, Е.И.Панфилов, А.М.Фрейдин, В.В.Кравцов, В.МЛизункин, Л.ИЛяхов, Ш.Н.Мамедов, Г.А.Курсакин, кандидаты технических наук Д.И.Рафиенко, Л.А.Мамсуров, В.В.Чудаков, А.И.Подковыркин, М.З.Латышев, М.Е.Мухин и многие другие. В результате горная промышленность получила большое количество экономически эффективных вариантов систем и технологий разработки для разнообразных горногеологических условий, но без учёта экологических ограничений.

В перспективном развитии геотехнологий освоения маломасштабных месторождений ярко выражена тенденция применения высокопроизводительного самоходного оборудования на основе геометризации очистных выработок без учета особенностей внутреннего строения, рудоносности и сложности формы отрабатываемых жил.

Техногенное воздействие горного производства на биоту природных экосистем имеет достаточно сложную внутреннюю структуру и включает в себя различные виды поражения живых организмов, вплоть до полного уничтожения биоты.

По причинам своего возникновения все техногенные факторы геотехнологий достаточно четко разбивается на две большие группы:

• являющиеся прямым следствием антропогенного разрушения литосферы и формирования в ней нового литосферного объекта — техногенно измененных недр;

• зависящие от характера применяемых при техногенном изменении недр геотехнологий.

По времени существования техногенных факторов можно выделить:

• существующие только в период эксплуатации месторождения;

• существующие при эксплуатации месторождения и после её завершения;

• появляющиеся после завершения эксплуатации месторождения.

По возможностям снижения экологической опасности реального

добывающего предприятия техногенные факторы (и их воздействия) делятся на:

• устранимые за счет введения в технологию дополнительных мероприятий;

• устранимые за счет замены применяемой технологии;

• неустранимые для данного вида производства.

По характеру воздействия на биоту природных экосистем:

• изменяющие условия жизнеобеспечения элементов биоты;

• изменяющие среду обитания элементов биоты за счет загрязнения биотопа агентами, ранее в нем не присутствовавшими;

• приводящие к прямому и полному уничтожению биоты.

Идентификация добывающего предприятия, как природно-

технической системы, означает, что на эту систему распространяются все общие противоречия меэвду техно- и биосферами. В целом ряде работ, развивающих идеи устойчивого развития, было показано, что единственным разумным способом преодоления подобных противоречий является переход к стратегии коэволюции, обеспечивающей равные возможности развития в рамках одной системы двух несовместимых (антагонистических) подсистем на основе согласования уровня техногенных нагрузок на биоту с порогом её устойчивости и условиями самовосстановления.

На пути реализации коэволюционных идей всеобщее признание получил тезис о том, что природопользование является единственной основой существования человека, но при его осуществлении необходимо ориентироваться на экологический (биологический), а не технократический императив.

Экологический императив, представляет собой систему действий по гармонизации взаимоотношений техно- и биосферы, включающую в себя совокупность технологических, биологических, законодательных и нравственных решений и принципов, взаимно детерминированных таким образом, что только совместное их применение может обеспечить сохранение возможности функционирования и эволюции естественной биоты Земли в условиях развития технократической цивилизации.

Поэтому путь к разрешению противоречий между техно- и биосферой в области освоения недр проходит через превращение геотехнологий в экогеотехнологии, построенные на принципах функционирования биологических систем, отличающихся изначальной экологической чистотой.

Из определения понятия системы вообще - как "единого целого, функционирующего благодаря взаимодействию определенным образом организованных элементов...", следует отметить, что жизнеспособность и экологичность биологических систем определяется кроме структуры, также и характером взаимодействия входящих в неё элементов:

• получение ресурсов и переработка отходов происходят в рамках замкнутого кругооборота всех элементов;

• существование за счёт не загрязняющей среду и практически вечной солнечной энергии, количество которой относительно постоянно и избыточно;

• на каждом трофическом уровне биосистемы производится только новая биомасса, количество которой обратно пропорционально длине пищевых цепей;

• устойчивость и жизнеспособность экосистем определяется состоянием их фитоценоза, структура и видовой состав которого зависят от эдификаторной синузии;

• развитие биологической эволюции в биосистеме необратимо.

В отличие от традиционной бионики, реализующей стремление воссоздать приборы и устройства, которые копируют по своим функциям и возможностям определённые элементы биоты, построение экологически безопасных геотехнологий или целых природно-технических систем возможно на основе переноса и смысловой трансформации только принципов взаимодействия элементов биоты. Поэтому, учитывая антагонистический характер противоречий между техно- и биосферой, общую методологию решения проблемы целесообразно строить на основных положениях гомеостатики о способах поддержания жизненно важных параметров взаимодействующих систем путём управления противоречиями.

То есть, негативное влияние человека должно компенсироваться толерантностью нарушаемой части биоты. Свойства биологических систем являются объективной реальностью и не поддаются какому-либо антропогенному регулированию. Это означает, что в любой природно-технической системе единственная возможность достижения паритета интересов составляющих эту систему компонентов (в нашем случае — это биота и человек) заключается в целенаправленном создании и применении технологий, отвечающих по свойствам условиям толерантности биоты.

В общеметодологическом плане гомеостатический подход даёт возможность синтеза противоположностей. Применительно к проблеме взаимоотношений человека и природы это означает, что эти два антагониста не противопоставляются друг другу, а объединяются в единую систему, в которой управляемая гармония между обеими компонентами достигается за счёт ограничения уровня техногенных воздействий диапазоном толерантности структурообразующих элементов биоты этих экосистем. Используя такой подход можно перенести

биологическую информацию в техносферу путём поэтапного формирования геотехнологического гомеостата на основе структуры гомеостата биологического с заменой содержательных элементов на геотехнологические целевые аналогии (табл. 1).

Таблица 1 — Биотехнологические принципы формирования экологически безопасной горной технологии_

№ п/п Принципы функционирования природно-равновесных экосистем Принципы формирования экологически безопасных техногенных геосистем

1. Использование ресурсов и избавление от отходов в рамках замкнутого кругооборота элементов Замкнутый цикл обращения вещества (твёрдых, жидких и газообразных поллютантов)

2. На каждом трофическом уровне воспроизводится только новая биомасса, количество которой обратно пропорционально длине пищевых цепей Избирательная добыча полезного ископаемого

3. Биомасса воспроизводится за счет экологически чистых компонентов абиоты и энергии Солнца Минимизация экологической цены продукции

4. Устойчивость экосистем определяется видами первого трофического уровня Ограничение уровня техногенного воздействия диапаз'оном толерантности видов-эдификаторов фитоценоза экосистемы

5. Однонаправленность эволюции Принцип превентивности при принятии и реализации технологических решений

Рассмотрим возможности и пути превращения сформулированных биоинженерных принципов в реальные технологические решения применительно к условиям разработки маломасштабных месторождений, как самых многочисленных и сложных для отработки геологических объектов.

Современный уровень развития геотехнологий отработки этих месторождений в нашей стране характеризуется абсолютным доминированием систем с открытым очистным пространством или магазинированием руды, когда управление горным давлением производится методом последующего самообрушения бортов выработанного пространства. Меньшее распространение имеют системы разработки с закладкой.

При добыче рудного сырья большая часть добытой горной массы остается на месте добычи в виде отходов. Возможность организации, в рамках общего оборота вещества, замкнутого обращения пустых пород и хвостов обогащения требует для своей реализации двух условий:

. • наличие необходимых объемов в подземном пространстве;

• наличие технологии размещения этого вида отходов в подземном пространстве.

Большие перспективы, с точки зрения повышения экологической безопасности, открываются в связи с возможностью размещения в выработанном пространстве твёрдых отходов горного и обогатительного производств (рис. 1,2).

Принцип избирательности выемки полезного ископаемого может быть реализован на двух иерархических уровнях:

• уменьшение разубоживания товарных руд при использовании традиционных геотехнологий с валовой выемкой;

• создание и применение специализированных геотехнологий с раздельной выемкой руды и породы.

Повышение эффективности геотехнологии обеспечивается заменой шпуровой отбойки скважинами малого диаметра. Поэтому главным геологическим фактором, определяющим выбор варианта системы разработки, является показатель изменчивости формы рудного тела Взрывные скважины, на современном уровне развития техники, всегда прямолинейны, а направление проходки выработок можно изменять. Поэтому при отработке запасов выемочного блока фронт очистной выемки следует перемещать по линии простирания рудного тела, а буровые выработки проходить либо по падению (рис. 1), либо по простиранию (рис. 2) — в направлении линии максимальной изменчивости формы рудного тела.

-1в

Рис. 1 — Схема отработки рудных тел с высокой изменчивостью формы по линии

падения

Отбойка руды в прирезках ведётся слоями, перпендикулярными продольной оси буровой выработки, то есть в направлении минимальной изменчивости формы рудного тела. Второй параметр каждого отбиваемого слоя - глубина скважин - является величиной переменной и зависит от формы отбиваемого участка жилы в прирезке.

Выбор ширины прирезки в условиях жильных месторождений связан с поисками путей преодоления неразрешимого в полной мере противоречия между нелинейной формой отрабатываемых участков

рудных жил и строго прямолинейной, по техническим возможностям бурения, формой отбиваемых участков очистных блоков.

Рис. 2 — Схема отработки рудных тел с высокой изменчивостью формы по линии

простирания

Коэффициент количества извлечения полезного ископаемого в нашем случае определяется как соотношение площади рудного тела, находящегося в пределах вынимаемой прирезки, к общей площади криволинейного участка рудного тела радиусом Я. С учетом условия полноты выемки балансовых запасов предельно допустимая ширина

прирезки определяется по формуле:_

Ъ = а + 2Л/ДЛ/(4Л — ДА/), м где а — ширина буровой выработки, м; ЛМ -мощность прихватываемых вмещающих пород, м; К- радиус кривизны рудного тела на отбиваемом участке в направлении минимальной изменчивости

формы рудного тела, м.

Выполненные исследования и расчеты для жил различной сложности показали (рис. 3), что допустимая, по условиям полноты выемки балансовых запасов прирезки, глубина скважин связана с модулем сложности на отбиваемом участке эмпирической зависимостью / = 8,41^.

Второй уровень обеспечения избирательности выемки основывается на создании специализированных геотехнологий, обеспечивающих

разделение руды и породы на различных стадиях технологического процесса. Эти возможности весьма разнообразны и

Рис. 3 - Зависимость предельной глубины скважин от модуля сложности жилы

систематизированы нами по принципам, обеспечивающим возможность разделения руд и пород. Переход к отработке жил прирезками по простиранию открывает реальную возможность создания геотехнологий с избирательной выемкой полезного ископаемого и высоким уровнем механизации и производительности труда, то есть решить значительную часть экологических проблем без экономических потерь.

Если, кроме изменчивости формы, отрабатываемое рудное тело имеет и неравномерное распределение полезного компонента (пониженную рудоносность), то применяется вариант системы, показанный на рис. 4. При отработке протяженных по простиранию жил во

д д вмещающих породах средней и

ниже средней требующих поддержания магазинирования

очистная

выемка

устойчивости, временного посредством РУДЫ, ведётся

одновременно в нескольких прирезках, забоями уступной формы и магазинированием руды (рис. 5). Высота уступов принимается переменной, в зависимости от ширины прирезки, отбиваемой этим уступом, а отбойка руды в уступе производится слоями постоянной толщины таким образом, чтобы образующая линия этого уступного забоя была наклонена к горизонту под углом естественного откоса отбитой рудной массы.

При необходимости отработки маломасштабного месторождения без размещения твёрдых отходов на поверхности базовые варианты геотехнологии могут быть видоизменены в соответствии с необходимостью создания условий для размещения хвостов обогащения.

Рис. 4 - Вариант отработки рудных тел с преобладающей изменчивостью по линии падения и неравномерным распределением полезного компонента

Рис. 5 - Схема отработки для рудных тел с более высокой изменчивостью формы по линии падения с подвижным магазином

В настоящее время не создано никаких сколько-нибудь обоснованных и интегральных методологий оценки экологического вреда от деятельности человека через денежный эквивалент.

В данной конкретной ситуации целесообразно создание и применение не денежного критерия оценки экологических последствий промышленной деятельности (и освоения недр в том числе). Рассматривая возможную смысловую структуру такого показателя, целесообразно, видимо, исходить из сформулированного выше положения о том, что любая промышленная деятельность в границах природно-равновесных экосистем естественной биоты Земли, неизбежно сопровождается полным или частичным разрушением этой биоты на какой-то территории. Поэтому показателем, построенным на основе приведенного к площади полного поражения биоты размера площади техногенного разрушения биоты, можно охарактеризовать экологические свойства любого производства.

Для оценки экологической безопасности геотехнологии предложен показатель, учитывающий как уровень её развития, так и степень поражения биоты (КэпУ-

Л-эв = /|э/4„,м2/тыс.руб. где Ци — извлекаемая ценность 1 т балансовых запасов, тыс. руб./т; Цэ - экологическая цена единицы продукции добывающего предприятия, которая составит:

где 5 - полная площадь нарушения экосистемы, приведенная к V категории по степени поражения, м ; Т— срок существования предприятия, лет; Ар— годовой объём производства продукции, т/год; р, — удельный расход материалов, энергии, оборудования, ед./т; ц* — экологическая цена каждого вида материалов, энергии и оборудования, м /ед.

Предлагаемый коэффициент экологической безопасности геотехнологии (Кэб) определяет какая площадь естественной биоты (приведённой к V категории по степени поражения) нарушается на каждый рубль извлекаемой ценности балансовых запасов. Результаты расчёта экологической цены и показателя экологической безопасности на примере Нежданинского месторождения приведены в табл. 2.

Из таблицы видно, что замена системы разработки с магазинированием руды на разработанную экогеотехнологию позволит снизить экологическую цену 1 т добываемой руды с 1,7 до 0,5 м2/т или в 3,4 раза и повысить экологическую безопасность геотехнологии в 3,8 раза.

Таблица 2 - Расчёт экологической цены и показателя экологической

безопасности сравниваемых геотехнологий

№ п/п Показатель Система разработки

с магазини-рованием руды спаренными прирезками с отбойкой руды из восстающих

1. Годовая производительность рудника, тыс. т/год 100

2. Срок существования предприятия, лет 10

3. Извлекаемая ценность 1 т балансовых запасов, тыс. руб./т 2,673 2,981

4. Полная площадь нарушения экосистемы, приведенная к V категории по степени поражения, тыс. м2 1675 499

5. Экологическая цена единицы продукции, м2/т 1,7 0,5

6. Показатель экологической безопасности геотехнологии, м2/тыс. руб. 0,64 0,17

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации, в результате выполненных исследований, научно обоснована и создана геотехнология подземной разработки сложноструктурных маломасштабных месторождений руд цветных и благородных металлов, экономическая эффективность которой обеспечена путём изменения порядка очистной выемки и применения высокопроизводительного оборудования, а экологическая безопасность повышена за счёт избирательной выемки полезного ископаемого и возврата части твёрдых отходов в выработанное пространство, что имеет существенное значение для экономики и экологической безопасности страны. При этом получены следующие результаты:

1. Уточнено содержание понятия о маломасштабных месторождениях, которое должно включать в себя не только геотехнологическую оценку, но и условия самовосстановления биоты в зоне техногенного воздействия.

2. Построена классификация первичных и вторичных техногенных факторов при подземном освоении маломасштабных месторождений и показано, что определяющее экологическое значение имеют последствия накопления на земной поверхности твёрдых отходов и создание селитебной инфраструктуры.

3. Выдвинута и разработана гипотеза о том, что в природно-технических системах освоения недр уровень экологической безопасности технической составляющей по отношению к составляющей биологической определяется степенью единообразия основополагающих принципов функционирования каждой из них.

4. На основе концептуальных положений гомеостатики о способах поддержания жизненно важных параметров взаимодействующих систем на основе управления противоречиями разработана методология трансформации биосистемных принципов в инженерные, предусматривающая перенос биологической информации в техносферу путём построения геотехнологического гомеостата на основе гомеостата биологического с заменой его содержательных элементов на геотехнологические целевые аналоги.

5. Сформулированы биогенные принципы построения геотехнологии освоения маломасштабных месторождений, одновременное применение которых в реальных условиях разработки позволит снизить техногенное воздействие на окружающую среду до неизбежного уровня, обусловленного самим фактом изъятия части материала литосферы в хозяйственных целях.

6. В рамках биоинженерных принципов построения технической составляющей природно-технических систем освоения маломасштабных месторождений создан типоразмерный ряд систем разработки с выемкой руды прирезками по простиранию с различными способами управления горным давлением.

7. Установлено, что при выемке запасов прирезками по простиранию порядок отбойки, направление проходки буровых выработок и глубина бурения определяются степенью анизотропии показателя изменчивости формы рудного тела по падению и простиранию.

8. Впервые предложены: новое понятие экологической цены минерального сырья, зависящей от полной площади нарушения экосистемы, и показатель оценки экологической безопасности геотехнологии, учитывающий как уровень её развития, так и степень поражения биоты.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Рафиенко Д.И., Кузнецов М.М., Сабянин Г.В. Комплексно-механизированная выемка тонких крутопадающих жил / Теория и практика разработки рудных и нерудных месторождений - М.: ИПКОН АН СССР, 1986.-С. 129-136.

2. A.c. 1726745 СССР, МКИ E21C4I/16 / Способ разработки крутопадающих рудных месторождений малой мощности / Рафиенко Д.И., Сабянин Г.В., Бордадымов В.И. и др. - Б.И. № 14 - 1992.

3. Галченко Ю.П., Бурцев Л.И., Сабянин Г.В. Научно-методические положения технологического обеспечения экологической безопасности при подземной добыче минеральных ресурсов // Проблемы геотехнологии и недроведения. (Мельниковские чтения). Доклады международной конференции, 6-10 июля 1998 г. — Т. 2 — Екатеринбург: ИГД УрО РАН, 1998. - С. 291-297.

4. Галченко Ю.П., Бурцев Л.И., Сабянин Г.В. Экологическая составляющая устойчивого развития применительно к подземной добыче руд//Горный информационно-аналитический бюллетень. -1999, № 5, МГГУ. - С. 180-185.

5. Галченко Ю.П., Бурцев Л.И., Сабянин Г.В. Обоснование общих принципов построения горных технологий в условиях экологического императива // Научные и практические аспекты добычи цветных, редких и благородных металлов. - Хабаровск: ИГД ДВО РАН, 2000. - С. 377-385.

6. Галченко Ю.П., Сабянин Г.В. Ретроспективный анализ техногенных изменений элементов биоты в зоне воздействия горнодобывающих предприятий//Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2000, № 9, МГГУ. - С. 68-72.

7. Галченко Ю.П., Сабянин Г.В. Перспективы развития геотехнологии освоения маломасштабных месторождений / Экологобезопасные технологии освоения недр Байкальского региона - Улан-Удэ, 2000. - С. 89-95.

8. Воронюк A.C., Галченко Ю.П., Сабянин Г.В. Методические принципы формирования поверхностного комплекса при подземной разработке групп сближенных месторождений // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2001, № 8, МГГУ. - С. 164-168.

9. Патент 2188945 РФ, МКИ Е21С41/00 / Способ комплексного освоения и использования недр/ Трубецкой К.Н., Каплунов Д.Р., Галченко Ю.П., Кравченко В.Т., Поставнин Б.Н., Сабянин Г.В. - Б.И. № 25.- 2002.

10. Сабянин Г.В. Экологические последствия подземной разработки маломасштабных месторождений/Физические проблемы разрушения горных пород: Сб. тр. Третьей междунар. конф. 9-14 сентября 2002 г., Абаза (Хакасия). - Новосибирск, Наука. - 2003. - С. 245-249.

11. Галченко Ю.П., Бурцев Л.И., Сабянин Г.В. Структура техногенного воздействия на биоту при подземном освоении недр // Экологические системы и приборы. - 2003, № 3. - С. 16-22.

12. Галченко Ю.П., Бурцев Л.И., Сабянин Г.В. Методические подходы к нормированию уровня техногенных изменений гидросферы при подземном освоении недр / Физические проблемы разрушения горных пород: Сб. тр. Третьей междунар. конф. 9-14 сентября 2002 г., Абаза (Хакасия). - Новосибирск: Наука. - 2003. - С. 226-231.

13. Галченко Ю.П., Бурцев Л.И., Сабянин Г.В. Систематизация причин возникновения и возможностей управления внешними воздействиями подземных горных работ // Экологические системы и приборы. — 2003, №5.-С. 15-19.

14. Галченко Ю.П., Бурцев Л.И., Сабянин Г.В. Анализ технологических путей сохранения экосистем при подземном освоении недр // Экологические системы и приборы. - 2003, № 7. - С. 21-26.

15. Сабянин Г.В. Геотехнологии освоения маломасштабных месторождений - перспективы развития в условиях экологического

императива / Физические проблемы разрушения горных пород: Сб. тр. Третьей междунар. конф. 9-14 сентября 2002 г., Абаза (Хакасия). — Новосибирск: Наука. - 2003. - С. 249-254.

16. Галченко Ю.П., Бурцев Л.И., Сабянин Г.В. Биологические принципы построения геотехнологий // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2004, № 12, МГГУ. - С. 98-101.

17. Сабянин Г.В. Анализ геотехнологических методов защиты естественной компоненты природно-технических систем при разработке маломасштабных месторождений//Экологические системы и приборы. - 2005, № 1. - С. 21-26.

18. Галченко Ю.П., Бурцев Л.И., Сабянин Г.В. О модели техногенно измененных недр — как нового литосферного объекта//Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2005, № 2, МГТУ. — С. 142-147.

19. Сабянин Г.В. Биоинженерные принципы построения подземных геотехнологий // Экологические системы и приборы. - 2005, № 4. - С. 36-38.

20. Галченко Ю.П., Михайлов Ю.В., Сабянин Г.В. Экономическая эффективность применения льдопородной закладки при подземной разработке месторождений в криолитозоне//Экологические системы и приборы. - 2005, № 5. - С. 28-31.

21. Сабянин Г.В. Техногенное изменение недр — источник экологических опасностей при разработке месторождений // Экологические системы и приборы. - 2005, № 6. - С. 11-14.

22. Галченко Ю.П., Сабянин Г.В. Высокоэффективная технология разработки крутопадающих жильных месторождений золота // Золотодобывающая промышленность. - 2005. - № 5(11). - С. 18-23.

23. Галченко Ю.П., Сабянин Г.В. Экотехнология разработки крутопадающих жил со сложной морфологией // Золотодобывающая промышленность. - 2006. - № 2(14), С. 38-40.

24. Сабянин Г.В. О влиянии морфологии рудных тел на выбор технологических параметров разработки жильных месторождений / V Международная научно-практическая конференция «Наука и новейшие технологии при поисках, разведке и разработке месторождений полезных ископаемых». Материалы докладов. — М.: РГТРУ, 2006. - С. 88.

25. Сабянин Г.В. Методологические основы построения экогеотехнологий// Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2006, № 5, МГГУ. -С. 362-366.

Лицензия JIP №21037 от 08 февраля 1996 г. Подписано в печать с оригинал-макета 04.09.2006 г. Формат 60x84 1/16. Бумага «Mega Сору Office». Печать

офсетная. Набор компьютерный. Объем 1 п. л. Тираж 100 экз. Заказ № 132._

Издание ИПКОН РАН 111020 г. Москва. Крюковский тупик, д.4

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Сабянин, Георгий Васильевич

Введение

1. Анализ особенностей природно-технических систем подземного 9 освоения маломасштабных месторождений

1.1. Освоение маломасштабных месторождений - как развитие 9 природно-технических систем

1.2. Особенности строения природной составляющей

1.3. Развитие технической составляющей 40 Выводы

2. Исследование взаимодействия природной и технической 50 составляющих систем освоения маломасштабных месторождений

2.1. Анализ общей структуры техногенного воздействия

2.2. Исследование характера техногенного изменения биоты

2.3. Обоснование путей обеспечения экологической 64 безопасности функционирования технической составляющей

Выводы

3. Обоснование биогенных принципов и методологических 72 подходов к построению подземных геотехнологий

3.1. Анализ принципов функционирования биологических 72 систем

3.2. Методологические основы построения экогеотехнологий

3.3. Трансформация принципов функционирования биосистем 81 в геотехнологию

Выводы

4. Создание экогеотехнологии освоения маломасштабных 90 месторождений

4.1. Исследование возможностей и путей реализации 90 биотехнологических принципов

4.2. Создание экогеотехнологии освоения маломасштабных 116 месторождений

4.3. Экспериментальная проверка экогеотехнологии, 136 экономическая и экологическая эффективность

Выводы

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Обоснование геотехнологических методов повышения экологической безопасности освоения маломасштабных месторождений"

Актуальность. Развитие современной цивилизации основано на минеральном сырье, получаемом из литосферы. Геологическая заданность расположения месторождений полезных ископаемых приводит к тому, что добывающие предприятия играют роль авангарда техногенного вторжения в естественную биоту Земли. Между числом встречающихся месторождений и количеством находящихся в них запасов устанавливается довольно строгая математическая зависимость: чем крупнее месторождение, тем оно реже встречается, и, наоборот, чем мельче месторождение, тем оно чаще встречается. Эта зависимость имеет универсальный характер и указывает на постоянно расширяющуюся перспективу увеличения числа маломасштабных месторождений. Именно поэтому величина и характер экологических последствий их освоения в значительной степени определяет условия изменения биотопов и возможности сохранения естественной биоты на огромных территориях.

Разработка любого месторождения в экологическом плане всегда представляет собой развитие во времени и пространстве природно-технической системы, в которой обе составляющие находятся в антагонистическом противоречии. При этом все экологические ограничения определяются законами развития природы, а возможности выполнения этих ограничений связаны с особенностями и свойствами применяемых геотехнологий.

На современном этапе развития выбор технологических решений обычно производится с учётом только горногеологических, горнотехнических и экономических факторов, а все проблемы, связанные с охраной природной среды, при этом решаются как система действий по полному или частичному устранению последствий применения этих геотехнологий. Между тем, характерной особенностью современного этапа нашего развития является быстрый и непрерывный рост требований к экологической безопасности любого (в том числе и горного) производства. Действующим Федеральным законом «Об охране окружающей среды» прямо предписывается использовать в целях повышения уровня экологической безопасности при осуществлении каких бы то ни было технических решений наилучшие (по экологическим параметрам) существующие технологии.

Поэтому в рамках поиска общей концепции совместного и бесконфликтного развития техно- и биосферы особую актуальность приобретает проблема коренного изменения самого подхода к созданию геотехнологий и формирования концептуально новой методологии их построения на принципах устранения причин экологических опасностей.

Исследования, выполненные в диссертации, соответствуют паспортам специальностей: 25.00.36 «Геоэкология», область исследований «17. Технические средства, технологии и сооружения для прогноза изменений окружающей среды и её защиты, для локализации и ликвидации негативных природных и техногенных воздействий на окружающую среду» и 25.00.22 «Геотехнология (подземная, открытая, строительная)», область исследований «4. Создание и научное обоснование технологии разработки природных и техногенных месторождений твёрдых полезных ископаемых».

Объект исследований - процесс совершенствования природно-технических систем освоения маломасштабных месторождений.

Предмет изучения - изменение геотехнологии в условиях ужесточения экологических ограничений.

Цель диссертации - обосновать геотехнологические методы повышения экологической безопасности подземного освоения маломасштабных рудных месторождений.

Идея диссертации заключается в том, что в природно-технических системах подземной разработки месторождений защита природной составляющей обеспечивается путем трансформации принципов её функционирования в техническую составляющую.

Основные научные задачи:

•исследование структуры природно-технических систем освоения маломасштабных месторождений и особенностей взаимодействия их природной и технической компонент;

•обоснование требований к геотехнологиям в условиях экологического императива и биогенных путей их выполнения;

•разработка методологии трансформации биогенных принципов в геотехнологию;

•обоснование и исследование способов реализации биогенных принципов построения экогеотехнологий подземного освоения маломасштабных месторождений;

•создание методических основ оценки экологических и экономических последствий применения экогеотехнологии.

В работе использован комплексный метод исследований, включающий в себя: анализ и обобщение материалов литературных и фондовых источников, структурно-функциональный анализ и синтез, графоаналитический и гомеостатический методы, натурный эксперимент и аналитическую обработку его результатов.

Защищаемые научные положения:

• определение понятия маломасштабного месторождения должно включать в себя экологическую составляющую в виде ограничения размера зоны техногенного поражения естественной биоты условиями развития процесса самовосстановления фитоценоза по короткопроизводному циклу;

• экологическая безопасность природно-технических систем освоения маломасштабных месторождений определяется степенью единообразия принципов функционирования природной и технической составляющих этих систем;

• при разработке маломасштабных месторождений выбор рациональных параметров экогеотехнологии определяется не только общепринятыми горногеологическими факторами, но и величиной показателя сложности формы рудных тел и степенью его анизотропии по падению и простиранию;

• экогеотехнология освоения маломасштабных месторождений, построенная по биоинженерным принципам, даёт возможность изменения структуры экологического воздействия на естественную биоту и устранения наиболее опасных для биоты техногенных факторов.

Достоверность научных положений подтверждается соблюдением преемственности в отношении научных положений, обоснованных учеными-предшественниками и апробированных в процессе многолетнего применения в науке и практике; надёжностью применяемых традиционных методов исследований; достоверностью и представительностью используемой в расчетах информации; апробацией результатов на производстве и в широком кругу специалистов; полученными авторскими свидетельствами и патентом.

Научная новизна основных результатов диссертации заключается в теоретическом и методическом обосновании геотехнологических путей обеспечения экологической безопасности освоения маломасштабных месторождений.

В работе впервые:

• систематизированы особенности строения природно-технических систем маломасштабных месторождений, определяющих характер экологических последствий их освоения;

• разработана классификация техногенных факторов горного производства, применительно к особенностям разработки маломасштабных месторождений;

• установлены закономерности обращения вещества литосферы в процессе разработки маломасштабных месторождений;

• горного производства и создана методика определения этого показателя.

• обоснованы биоинженерные принципы построения экологически безопасных подземных геотехнологий

• разработана методика количественной оценки изменчивости формы рудных тел жильного типа, выбора технологии очистных работ и параметров очистной выемки;

• предложены концепция экологической цены продукции горного производства, метод её определения и критерий оценки степени экологической безопасности геотехнологии.

Научное значение диссертации. Разработан новый подход к решению проблемы экологической безопасности освоения маломасштабных месторождений, основанный на биоинженерных принципах построения геотехнологий и созданы теоретические основы выбора параметров этих геотехнологий с учётом локальной изменчивости формы рудных тел и неравномерности их оруденения.

Практическое значение диссертации заключается в создании типоразмерного ряда вариантов систем разработки с выемкой руды вертикальными прирезками по простиранию, в конструкции которых учтены как технико-экономические требования, так и экологические ограничения.

Результаты работы могут быть использованы:

- в практике научно-исследовательских и проектных институтов, связанных с проблемами освоения маломасштабных месторождений;

- в практике оперативного руководства природоохранной деятельностью на предприятиях;

- в качестве методического обеспечения при организации учебного процесса при подготовке специалистов в области геоэкологии и геотехнологии.

Личный вклад автора состоит: в выборе и научном обосновании методов исследования, разработке технологических способов реализации биогенных принципов построения экогеотехнологий подземного освоения маломасштабных месторождений, научной интерпретации полученных результатов и проведении промышленных испытаний технологии выемки жил вертикальными прирезками по простиранию. Все результаты, включенные в диссертацию, получены лично автором и с достаточной полнотой отражены в публикациях.

Апробация работы. Основные научные положения и результаты исследований обсуждались на научных конференциях и симпозиумах: "Проблемы геотехнологии и недроведения (Мельниковские чтения)" (Екатеринбург, ИГД УрО РАН, 1998), "Экологобезопасные технологии освоения недр Байкальского региона" (Улан-Удэ, 2000), "Научные и практические аспекты добычи цветных, редких и благородных металлов" (Хабаровск, ИГД ДВО РАН, 2000), "Физические проблемы разрушения горных пород" (Абаза, 2003), "Новые идеи в науках о Земле" (Москва, РГГРУ, 2005), "Неделя горняка" (Москва, МГГУ, 1999-2006), "Наука и новейшие технологии при поисках, разведке и разработке месторождений полезных ископаемых" (Москва, РГГРУ, 2006).

Публикации. Результаты исследований отражены в 23 опубликованных работах; в изданиях, рекомендованных ВАК - 13. Новизна технологических решений защищена авторским свидетельством СССР и патентом РФ.

Структура и объем работы. Диссертация работа изложена на 162 страницах текста и состоит из введения, четырёх глав, заключения. Содержит 32 рисунка, 19 таблиц, список литературы из 119 наименований.

Заключение Диссертация по теме "Геоэкология", Сабянин, Георгий Васильевич

Выводы по главе

1. Все сформулированные биотехнологические принципы формирования экогеотехнологии могут быть реализованы в рамках существующих научно-технических решений в области освоения маломасштабных месторождений.

2. Экологический эффект от применения экогеотехнологии возникает только при одновременном применении всего комплекса сформулированных биотехнологических принципов.

3. Для количественной оценки экологических последствий освоения недр (и любой другой промышленной деятельности) предложен показатель экологической цены конечной продукции, представляющий собой сумму удельной величины полной площади нарушения биоты (приведенной к площади её полного поражения) с удельной экологической ценой каждого из применяемых видов материалов, энергии и оборудования.

4. Наибольшая экологическая и экономическая эффективность геотехнологии обеспечивается при выемке жил вертикальными прирезками по простиранию с отбойкой руды из буровых выработок, пройденных по линии максимальной изменчивости формы рудного тела, скважинами -пробуренными по линии минимальной изменчивости.

5. Применение биотехнологических принципов построения экогеотехнологии позволяет создать достаточно большое количество вариантов систем разработки пригодных для широкого диапазона изменения горно-геологических условий.

Заключение