Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Обоснование параметров рельефа долинных гидроотвалов вскрышных пород для ликвидации негативного воздействия на окружающую среду

ВАК РФ 25.00.22, Геотехнология(подземная, открытая и строительная)

Автореферат диссертации по теме "Обоснование параметров рельефа долинных гидроотвалов вскрышных пород для ликвидации негативного воздействия на окружающую среду"

На правах рукописи

д

/1'

Мироненко Александр Тихонович

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ РЕЛЬЕФА ДОЛИННЫХ ГИДРООТВАЛОВ ВСКРЫШНЫХ ПОРОД ДЛЯ ЛИКВИДАЦИИ НЕГАТИВНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ

Специальности 25 00 22 - Геотехнология (подземная, открытая и строительная) 25 00 36 - Геоэкология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

0031712Э7

Кемерово 2008

003171297

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет»

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент

Протасов Сергей Иванович

Научный консультант доктор технических наук

Кононенко Евгений Андреевич

Официальные оппоненты ° доктор технических наук, профессор

Кортелев Олег Борисович

доктор технических наук, профессор Лесин Юрий Васильевич

Ведущая организация ОАО «Кузбассгипрошахт»

Защита состоится 26 06 2008г в 1300 часов на заседании диссертационного совета Д 212 102 02 Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет» по адресу 650026, Кемерово, ул Весенняя, 28

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет»

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью организации,, просим направлять по указанному адресу

Автореферат разослан 23 05 2008г

Ученый секретарь диссертационного совета

В В Иванов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы Гидроотвалы являются составной частью весьма эффективной гидромеханизированной технологии разработки вскрышных пород на карьерах, но при этом характеризуются сравнительно большой зем-леемкостыо Так в Кузбассе гидроотвалы угольных разрезов занимают свыше 3500 га, а в бассейне Курской магнитной аномалии около 5000 га занято гидроотвалами и хвостохранилищами

Чаще всего гидроотвалы размещают в оврагах, балках и долинах малых рек, так как значительная часть этих территорий является малопригодной для сельскохозяйственного использования, при этом требуется небольшой объем работ по обвалованию для создания первоначальной емкости

Особенностями условий восстановления поверхности гидроотвалов после окончания их формирования являются, с одной стороны, потенциальное плодородие укладываемых пород, а с другой стороны, разжиженность грунтов и вызванная этим весьма низкая их несущая способность и слабая водоотдача, а также постоянная подпитка намывного массива атмосферными осадками в соответствии с местоположением гидроотвала в морфосистеме региона и контруклоном намытой поверхности по отношению к уклону тальвега основания.

Поэтому гидроотвалы даже после окончания их замыва и проведения горнотехнического и биологического этапов рекультивации, в результате постоянной подпитки атмосферными осадками или грунтовыми водами, заболачиваются Например, территория внутренних зон гидроотвала «Березовый Лог» на КМА, составляющая около 750 га, несмотря на значительные затраты на ее восстановление, почти на треть подвержена заболачиванию, в результате чего произошло изменение видов растительности Посевные травы вытесняются болотной растительностью - камышом и кустарниками, восстановленная территория становится малопригодной для сельскохозяйственного использования

С целью исключения подобных явлений в Кузбассе, где гидроотвалы, в частности гидроотвал на реке Еловка разреза «Моховский», заполнены более чем па 75 % от их проектной вместимости, необходимо обосновать выбор такого типа рельефа долинных гидроотвалов вскрышных пород, параметров и технологии его формирования, при которых обеспечивается устойчивое и полноценное использование восстановленных земель с точки зрения экологии.

Целью работы является обоснование параметров и технологии формирования рельефа долинных гидроотвалов вскрышных пород, обеспечивающих экологически устойчивое и эффективное использование восстанавливаемых территорий для их последующей рекультивации

Идея работы заключается в использовании геоморфологических принципов для определения параметров и технологических схем формирования

рельефа долинных гидроотвалов и ликвидации негативного воздействия их на окружающую среду.

Задачи исследований

- обоснование формы и параметров техногенного рельефа долинных гидроотвалов, формируемого в процессе отвалообразования вскрышных пород, по которому будут протекать водотоки,

- обоснование выбора технических средств и параметров технологических схем формирования рельефа долинных гидроотвалов с низкой несущей способностью поверхности,

- обоснование принципов и методики определения вместимости долинных гидроотвалов с точки зрения технологических и экологических требований

Методы исследований

- анализ и обобщение проведенных ранее теоретических и экспериментальных работ по данному направлению исследования,

- аналитические исследования с использованием основополагающих положений физики, гидравлики, гидромеханизации, геоморфологии и механики, включая методы обработки результатов исследований с помощью ЭВМ и технико-экономический анализ.

Научные положения, выносимые на защиту.

1 Уклон водотока, создаваемого на поверхности долинного гидроотвала, определяет форму и параметры его рельефа и должен исключать размыв и заиление ложа водотока, обеспечивая беспрепятственный пропуск паводковых вод, при этом диапазон его значений определяется исходя из гидрометеорологических условий региона и литологического состава укладываемых пород

2 Для долинных гидроотвалов с низкой (менее 0,29 МПа) несущей способностью их поверхности эффективно применение землесосных снарядов, позволяющих формировать экологически адекватный рельеф за счет оптимальной переукладки намытых пород в ходе строительства системы каналов для пропуска паводковых вод и водоема для рекреационного использования восстанавливаемой территории

3 Гидроотвал, расположенный в долине, с точки зрения экологии имеет предел вместимости, который определяется возможностями восстановления функции его рельефа в морфосистеме региона по пропуску осадков, не нарушая эрозионно-аккумулятивную деятельность водотока, протекающего по тальвегу долины

Научная новизна работы заключается

- в выявлении закономерностей для расчета уклона водотока, формируемого в процессе отвалообразования вскрышных пород в долинном гидроотвале для последующего его восстановления и обеспечивающего исключение размыва его основания и пропуск паводковых вод с учетом гидроклиматических условий региона и литологического состава намываемых пород;

- в обосновании возможности использования в процессе отвалообразо-вания вскрышных пород землесосных снарядов для формирования экологически адекватного рельефа поверхности за счет оптимальной переукладки пород допинных гидроотвалов с низкой (менее 0,29 МПа) несущей способностью его поверхности и формирования системы каналов для пропуска паводковых вод, а также создания водоема для рекреационного использования восстанавливаемой территории,

- в обосновании понятия и величины предела экологической вместимости долинных гидроотвалов

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов н рекомендаций диссертационной работы основаны на использовании широкого диапазона научных методов исследовании, включающих анализ и обобщение теоретических и экспериментальных работ, и подтверждаются сходимостью результатов аналитических исследований с данными экспериментов в производственных условиях, использованием результатов научных исследований в проектировании

Личный вклад автора состоит в проведении анализа условий формирования гидроотвалов и современных методов их восстановления, выявлении зависимостей, определяющих диапазон величины уклона восстанавливаемой территории поверхности долинных гидроотвалов с учетом 1 идроклиматиче-ских условий региона и литологического состава намытых пород, а также в обосновании понятия предела экологической вместимости гидроотвалов, разработке рекомендаций по проведению горнотехнического этапа рекультивации гидроотвала на реке Еловка филиала ОАО «УК «Кузбассразрезуголь» «Моховский угольный разрез» с использованием землесосных снарядов

Научное значение работы состоит в установлении ¿ависимостей, определяющих диапазон величины уклона рекультивируемой территории поверхности долинных гидроотвалов в зависимости о г гидроклиматических условий региона и литологического состава намытых пород

Практическая ценность работы заключается в разработке методики расчета параметров техногенного рельефа долинных гидроотвалов с низкой несущей способностью, обосновании техники и технологии для их восстановления

Реализация выводов и рекомендаций Рекомендации по восстановлению нарушенных земель использованы институтом «Кузбассгипрошахт» в «Рабочем проекте нарос гки дамбы гидроотвала на реке Еловка филиала ОАО «УК «Кузбассразрезуголь», а методика расчета параметров техногенного рельефа долинных гидроотвалов принята к реализации институтом «Даль-востНИИпроектуголь»

Апробация работы Результаты исследований докладывались на симпозиуме «Неделя горняка» (Москва, МГГУ, 2004-2005гг), на международных конференциях «Энергетическая безопасность России Новые подходы к развитию угольной промышленности» (Кемерово, 2004-2007гг), на техническом

совещании филиала ОАО «УК «Кузбассразрезуголь» «Моховский угольный разрез»

Публикации Основные результаты исследований и научные положения опубликованы в 5 научных работах, в том числе 3 - в изданиях рекомендованных ВАК России

Объем работы Диссертационная работа изложена на 175 страницах машинописного текста и состоит из введения, четырех глав, заключения, одного приложения и содержит 36 рисунков, 19 таблиц, список литературы из 99 наименований

Автор выражает признательность д.тн Е А Кононенко за ценные консультации, а научному руководителю и коллективу кафедры ОГР ГУ Куз-ГТУ за помощь и поддержку при выполнении работы

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

При разработке месторождений полезных ископаемых происходит интенсивное изъятие земель для карьеров, отвалов и техкомплекса на поверхности, что приводит к изменению ландшафта окружающих земель и, как следствие, нарушению экологического равновесия

Простое восстановление эстетики пейзажа или топографии поверхности не обеспечивает ассимиляцию техногенного рельефа рекультивированных территорий с природными морфосистемами, так как воссоздаваемый рельеф не всегда находится в динамическом равновесии и в нем могут наблюдаться эволюционирующие формы Следовательно, в практику работ по восстановлению нарушенных земель необходимо включить геоморфологический принцип, который позволит обосновывать экологически оптимальный рельеф на основе исследований закономерности возникновения и развития земной поверхности

Впервые обоснование параметров угла наклона отвальных поверхностей по причине водно-ветровой эрозии приведено в работе И И Русского В дальнейшем вопросу обоснования параметров техногенного рельефа для последующей рекультивации с учетом геоморфологического подхода были посвящены работы отечественных ученых, среди которых Л В Анзимиров, А М Гальперин, Е А Кононенко, О Б Кортелев, Ю В Лесин, Г А Нурок, А В Русский, В И Супрун, Е П Щербакова и др

Все работы перечисленных авторов были направлены на создание устойчивого техногенного рельефа по отношению к геоморфологическим процессам, протекающим в регионе Однако по вопросу восстановления функции самого рельефа в морфосистеме региона и, что особенно важно, при расположении гидроотвалов в долинах рек исследования не проводились

Любая совокупность неровностей земной поверхности - рельеф как эндогенного, экзогенного, так и техногенного генезиса - подвергается до-

вольно активному воздействию рельефообразующих процессов, которые, в свою очередь, являются функцией географического положения территории Для обеспечения целостной и рациональной рекультивации земель, нарушенных горными работами, свойства которых изменены вмешательством человека, необходимо располагать сведениями о параметрах и особенностях рельефообразующих процессов и, соответственно, учитывать их в процессе восстановления земель.

Все техногенные формы рельефа с момента их создания вовлекаются в сферу действия геоморфологических процессов, протекающих в естественных морфосистемах, и взаимодействуют с ними Естественные морфосисте-мы, получившие антропогенное воздействие, видоизменяются При этом в них могут активизироваться естественные рельефообразующие процессы и негативно воздействовать на сформированный техногенный рельеф В этой связи необходимо с позиций геоморфологии определить функциональное значение форм рельефа в морфосистемах и выявить реликтовые формы.

Анализ проведенных в нашей стране и за рубежом исследований, а также морфосистем Кузбасса показал, что ввиду наличия ряда необратимых процессов (изменения литологического состава и физико-механических свойств грунта), неизбежных при проведении горнотехнического этапа рекультивации, геоморфологическая обстановка восстановленных территорий сильно отличается от естественной В связи с этим появляется задача адекватного восстановления рельефа, выбора стратегии экологически адекватной рекультивации, основанной на геоморфологических методах Под экологически адекватным восстановлением нарушенных земель подразумевается такая совокупность технологических процессов по формированию техногенного рельефа на основе изучения региональных особенностей индивидуально для каждого типа рельефа и физико-географической обстановки, которая обеспечивает возвращение земель в природную геоморфосистему ландшафтных комплексов с прежними функциями

Проведенный анализ позволил сформулировать цель работы и задачи исследования

Высокоэффективная и экологически наиболее чистая технология гидромеханизированной разработки вскрышных пород при добыче полезных ископаемых открытым способом имеет один довольно существенный недостаток, сдерживающий ее распространение, гидроотвалы для приема и осветления гидросмеси Уложенные там породы долго консолидируются, а территория сложна для восстановления

Обычно для организации гидроотвала выбирается разветвленная балочная или речная долина вблизи строящегося карьера, которая ограждается дамбой Таким образом, создается емкость, в которой накапливается технологическая вода и намывается гидросмесь рыхлых вскрышных пород - суглинков, супесей, песка, а иногда и глины Намыв гидросмеси чаще всего осуществляется с дамбы Через определенный период времени, по мере за-

полнения гидроотвала, дамба наращивается из намытых или привозных пород. Число наращиваемых дамб обвалования достигает 10-12, при высоте каждой 3-7 м. В результате поверхность гидроотвала приобретает уклон, противоположный уклону тальвега долины. Контруклон гидроотвала лишает долину ее основного свойства - проточности, поэтому на поверхности отвала скапливается вода, подпитывающая уложенные породы, что приводит к значительному увеличению срока их консолидации. Кроме того, при намыве гидросмеси в гидроотвалы, расположенные в разветвленных балочных и речных долинах, гидросмесь оседает неравномерно и в логах, прилегающих к основной долине под углом близким к прямому, образуются незамытые, а заполненные водой «мертвые зоны» (рис. 1). Наличие прудов «мертвых зон» уменьшает вместимость гидроотвала на 25-40% и существенно затрудняет работы по восстановлению его поверхности на всей территории.

Рис. 1. Долинный гидроотвал после завершения намыва. 1 - дамба обвалования; 2 - пляжная зона; 3 - мертвые зоны гидроотвала, заполненные водой; 4 - пруд-отстойник с осветленной водой

Установлено, что для достижения несущей способности поверхности гидроотвала 0,29 МПа, при которой возможно использование традиционных технических средств (бульдозеров, экскаваторов и погрузчиков) для формирования его поверхности и последующей рекультивации, период консолидации составляет от 7 до 10 и более лет, причем без учета эффекта подпитки Согласно принятым положениям об экологически адекватной рекультивации задачей восстановительных работ является не простое формирование поверхности и плодородия почв, а обеспечение интеграции восстанавливаемых участков в ландшафт, т е ассимиляция техногенного рельефа естественным с соблюдением двух основных принципов плавного сочленения и имитации естественных форм и процессов в рельефе с учетом истории его развития, а также смены условий рельефообразования, произошедших в результате антропогенного вмешательства

Строительство в речной долине ступенеобразного земляного сооружения - гидроотвала неисправимо нарушает функционирование речной морфо-системы, поэтому для восстановления поверхности долинного гидроотвала не всегда следует стремиться к восстановлению морфосистемы реки - в нижнем течении она может быть превращена в систему прудов, сообщающихся Между собой каналами Плавное сочленение элементов рельефа предполагает отсутствие резких изломов и перегибов антропогенной по поверхности на контакте с естественным и отсутствие прямых линий и у! лов в контурах техногенных форм Восстанавливаемая территория должна плавно причленяться к естественным формам рельефа, облегчая ассимиляцию Принцип имитации предполагает возобновление на рекультивируемых в последующем площадях тех естественных рельефообразующих процессов, которые существовали до проведения горных работ, или, если такое невозможно, процессов, характерных для техноморфосистем в новых условиях.

Анализ морфосистем Кузнецкого угольного бассейна показывает высокое разнообразие геоморфологических условий рассмотренных районов и морфогенетических категорий, что обусловливает различие экологически адекватного восстановления нарушенных земель При этом выявлено, что наиболее распространенными формами рельефа являются реликтовые - балочная сеть степной зоны, современные - речные долины, овраги

Геоморфологический анализ показал, что если на территории Кузбасса в пределах горного отвода до начала горных работ существовали останцовые формы балочной сети степной зоны, то при проведении рекультивационных работ их можно не восстанавливать, т.е планировать территорию и воссоздавать лишь эрозионную сеть Однако при горнотехнической рекультивации рельефа, нарушенного горными работами, в обязательном порядке следует восстанавливать опосредованные факторы флювиального рельефа, а именно долинную сеть и ее иерархию, ширину и уклоны тальвегов долин, уклоны бортов долин, а при расчете конкретных параметров самое пристальное вни-

мание обращать на динамическое состояние флювиальных морфосистем, а также морфосистем, включающих их как часть

Отдельно следует остановиться на проблеме антропогенных оврагов, часто встречающихся в данном регионе Эти формы рельефа вызваны действием современных процессов и не являются реликтами

Геоморфологическое обоснование параметров техногенных форм рельефа позволяет определить в качестве главной задачи рекультивации восстановление флювиальной морфосистемы с изменением уклона и глубины расчленения Флювиальные формы рельефа - это формы, создаваемые деятельностью постоянных и временных водных потоков, являются первоочередным объектом экологически адекватного восстановления нарушенной ранее поверхности земли

Одним из главных принципов геоморфологического обоснования экологически адекватного рельефа долинных гидроотвалов после завершения горных работ является восстановление главной функции речной долины -сбор и пропуск осадков, т е обеспечение ее проточности При этом, в соответствии с сущностью русловых процессов - как совокупность эрозионно-аккумулятивных воздействий потока на взвешенные и полувзвешенные частицы субстрата основания, необходимо обеспечение динамического равновесия Динамическое равновесие может быть достигнуто за счет обоснования параметров водного потока - скорости течения, ширины и глубины, а также путем выбора продольного равновесного профиля, который определяется прежде всего величиной уклона

Наиболее естественными для водотока являются продольные профили в виде вогнутых кривых параболического типа Анализ морфологии продольных профилей долин малых логов степной зоны Кузбасса показывает, что, хотя вогнутая форма превалирует, иногда объектом восстановления являются лога, чей естественный продольный профиль был выпуклым В работе обосновывается, что и в этом случае следует формировать поверхности с профилем в виде вогнутой кривой параболического типа Во-первых, формирование выпуклого профиля малых долин связано с различиями в скоростях врезания в них и в реках, с которыми они сочленяются Как показали исследования, при ликвидации реки в процессе гидроотвалообразования этот тип взаимоотношений эрозионных процессов в долинах разного порядка исчезает Следовательно, стремиться имитировать выпуклый профиль означает восстанавливать формы, существование которых вызывалось процессами, исчезнувшими вследствие строительства гидроотвала Во-вторых, выпуклый профиль способствует развитию эрозионных процессов на нем, что недопустимо при сельскохозяйственном использовании площадей гидроотвала

Уклон русла водотока, устойчивого к эрозионному размыву, можно установить из уравнения Шези, которое определяет взаимосвязь между расходом воды, уклоном, формой и размерами поперечного сечения потока

и

у = с4Т7,

где V - скорость потока, м/с, С - коэффициент Шези, м1'" /с, 1 - уклон русла, дол ед

Коэффициент Шези может быть определен по эмпирической формуле

Манинга С = -Л"6, п

где п - коэффициент, зависящий от шероховатости, Я - гидравлический радиус потока, м

Величина Я определяется в зависимости от смоченного периметра потока (Ь+2И) и площади сечения потока

2 И + Ь

где А - глубина потока, м, Ь - ширина потока, м

В результате скорость потока (м/с) можно представить в виде

к.^-Г 0)

п {2И + Ь)

Эта зависимость не позволяет учитывать влияние расхода воды в водотоке на уклон поверхности Тогда по известной зависимости

0 = йЖ = 6ЙК0 = аУ=ЬИУ,

где Q - расход воды в потоке (м3/с), ш - площадь живого сечения (м2), выразим величину И и подставим в исходное выражение (1) После преобразования получим

, а^у

Подставляя в это выражение величину неразмывающей скорости для соответствующих пород основания водотока и величину расхода воды в период паводков в верховьях, низовьях или в любых других точках водотока с учетом коэффициента шероховатости и ширины потока, можно определить величину уклона тальвега, обеспечивающего исключение размыва пород основания. На рис 2 представлена зависимость величины неразмываемого уклона водотока от величины расхода воды для суглинков

Не допуская эрозионный размыв русла водотоков, которые будут протекать в последующем по поверхности рекультивируемых гидроотвалов, в то же время необходимо исключить их заиливание Принимаем положение, что глинистые (до 0,005 мм) и пылеватые частицы (0,005-0,05 мм)

Для того чтобы исключить заиливание канала (русла водотока) необходимо соблюдение условия-

1 И 100 „ Ш — = К - или

V IV 100 и к'

где Ь - длина канала, м, V- скорость движения потока, м/с, К - коэффициент, учитывающий глубину потока, 0,5-10, И - глубина потока, м, IV- гидравлическая крупность частиц, оседание которых необходимо избежать, м/с

Рис 2 Изменение величины неразмываемого уклона водотока в зависимости от расхода воды (для суглинков). 1 - и = 0,0225, Ь = 10л(, V =0,8л</с (суглинок), 2 - л = 0,040 , Ь = 10м, и = 0,8 м/с

Учитывая полученную ранее зависимость (1) между величиной уклона и параметрами водотока, можно составить систему уравнений для определения величины уклона Г, исключающего заиливание канала

ьн Г"

п [2Н + Ь) ' £ РУ 100 К И' д^ьиу

После преобразований получим

У ь V | ьуУ™

(3)

юо к е

Таким образом, установлены зависимости для определения диапазона величины уклона тальвега долины для пропуска водного потока конкретной морфосистемы

- + — < I < У п\ — + —

100 Кб )

Ь 0)

ЬУ

е

(4)

Страте! ия экологически адекватной рекультивации, основанной на геоморфологических принципах, подразумевает формирование при рекультивации такого техногенного рельефа, который обеспечивает возвращение нарушенных земель с прежними функциями В соответствии с этим принципом обоснован диапазон величины уклонов водотока, обеспечивающий, с одной стороны, исключение размыва его основания, а с другой - заиливание русла. Казалось бы, вопрос об отсутствии процесса размыва основания водотока при рекультивации долинных гидроотвалов является излишним, т к. размещение определенного объема пород в долине приводит к уменьшению величины естественного уклона тальвега, следовательно, если размыв основания ранее не наблюдался, то он и не будет происходить при меньшем уклоне Однако в процессе намыва гидросмеси в гидроотвал для водотока меняется физико-механическое состояние и, возможно, литологический состав пород основания Следовательно, даже при сохранении расхода водотока и скорости потока она может стать размывающей для нового основания

Процесс заполнения гидроотвала вскрышными породами постепенно выполаживает этот уклон Со временем он может приблизиться к величине уклона незаиливающего. Именно величина незаиливающего уклона водотока ограничивает приемную способность долины по тому же критерию - восстановление функции речной долины в морфосистеме региона

В том случае, если величина незаиливающего уклона водотока не будет обеспечена, т е фактический уклон поверхности восстанавливаемого отвала будет меньше, пропуск воды не будет обеспечен уклоном русла и вся поверхность будет заболачиваться

Для исключения подобного явления необходимо ограничить объем укладываемых в гидроотвал пород Объем вскрышных пород, уложенный в гидроотвал, который позволяет восстановить главную функцию рельефа долинного гидроотвала по пропуску осадков и не нарушает эрозионно-аккумулятивную деятельность водотока, протекающего по тальвегу долины, можно назвать экологическим пределом вместимости долинных гидроотвалов

Для определения экологического предела вместимости долинного гидроотвала необходимо

- определить в соответствии с установленной зависимостью величину незаиливающего уклона русла основного водотока и е! о притоков (если они существуют),

- рассчитать неразмываемый уклон склонов, опирающихся на тальвег долины;

- построить техногенный рельеф поверхности гидроотвала, который должен быть после экологически адекватного восстановления,

- на основании сравнения рельефа долины до размещения в ней гидроотвала и экологически адекватного техногенного рельефа после рекультивации определить объем пород, который возможно разместить в долине, не нарушая ее основную функцию в морфосистеме региона Объем пород, уложенный в гидроотвал, ограниченный поверхностью рельефа долины до размещения в ней гидроотвала и поверхностью техногенного рельефа гидроот-

вала, который должен быть сформирован после экологически адекватной рекультивации и дамбой обвалования гидроотвала, является экологическим пределом вместимости долинного гидроотвала

Предел вместимости долинного гидроотвала должен определяться на стадии его проектирования В случае, если объем укладываемых в гидроотвал пород («гидровскрыша» карьера) не превышает этот предел, определяется соответствующий техногенный рельеф по всей территории гидроотвала, что позволит в последующем минимизировать объем работ по рекультивации В противном случае, при рекультивации заполненного гидроотвала, может возникнуть ситуация, когда с целью уменьшения объема работ по переукладке пород в долине должен быть создан искусственный водоем Укрупненный алгоритм расчета параметров техногенного рельефа при рекультивации долинного гидроотвала и его экологического предела вместимости представлен на рис 3

Замер фактических уклонов экспериментально намытой поверхности при восстановлении земли в верховьях Ульяновского и Виноградовского логов гидроотвала на реке Еловка разреза «Моховский» показал совпадение экспериментальных и расчетных значений с ошибкой прогноза не более 10 %

На основании разработанной методики расчета параметров техногенного рельефа при восстановлении долинных гидроотвалов в работе определен рельеф поверхности 1-й очереди гидроотвала на реке Еловка разреза «Моховский» (рис 4), который должен быть сформирован в процессе горнотехнического этапа рекультивации

Работы по формированию рельефа на гидроотвале включают

1 Заполнение емкости «мертвых зон» грунтов и обеспечение уклонов логов, допускающих быструю ассимиляцию гидроотвала естественным рельефом.

2 Обеспечение пропуска паводковых вод р Еловка и дренажа, а также создание особых пойменных и террасовых условий увлажнения рекультивируемой поверхности путем строительства систем каналов избыточной пропускной способности

3 Создание обширного искусственного водоема природной емкости воды для различных нужд и для зоны отдыха населения

Очевидно, что замыв логов можно производить гидросмесью, поступающей с гидроучастка разреза «Моховский» Но это связано с многоразовой переукладкой пульпопроводов, с организацией полустационарных перекач-ных станций и электрических подстанций, а также ставит сроки рекультивации в зависимость от работы гидроучастка

В то же время строительство системы каналов для пропуска паводковых вод р Еловка и дренажа невозможно без применения автономного землесосного снаряда, который в состоянии выполнить весь необходимый объем работ по горнотехнической рекультивации гидроотвала

Геоморфологический анализ территории, подлежащей восстановлению

Историко-генетический анализ Установление основных рельефоформируюших процессов, реликты рельефа Исследование индивидуального развития морфосистемы объекта рекультивации и определение её основной функции

Определение направлений рабо использованию земель в зависимости о территориальном ком т по восстановлению и дальнейшему т их расположения в природно-техногенном апексе (геоморфосистеме)

Расчет параметров тальвега долины в соответствии с величиной расхода водотока и диалогическим составом пород основания ^ 100 к 0 ) [ь в ) [ь в )

. . ... ......;- 1

Определение уклона склонов долины (восстанавливаемой поверхности)

Рис 3 Укрупненный алгоритм расчета параметров техногенного рельефа при восстановлении долинных гидроотвалов

Рис. 4. Рекультивация гидроотвала на рекеЕловка разреза «Моховский»: 250 - горизонтали рекультивированной поверхности

На рис. 5 в общем виде представлена технологическая схема переукладки гидросмеси в гидроотвале с одновременным профилированием намываемой территории. Схема работает следующим образом.

Земснаряд (1) производит свободным всасыванием выемку грунта из забоя (4). Гидросмесь по плавучему пульпопроводу (2) подается при коротком пути транспортирования в намываемый профиль формируемой территории (5) и укладывается в верховье лога (6) с уклоном не более нескольких градусов; а при протяженном пути транспортирования гидросмесь по плавучему пульпопроводу подается на берег и движется к месту выпуска (7) по береговому пульпопроводу (3).

Учитывая, что вода, находящаяся в технологическом цикле и поступающая вместе с грунтом в намываемый профиль, интенсивно, за счет уклона, возвращается в забой земснаряда, следует считать, что объема воды, скопившегося в «мертвой зоне», достаточно для проведения земснарядом работ по переукладке и формированию намываемого профиля.

Емкости, подлежащие замыву, расположены в верховьях логов № 1 -на р. Еловка, № 2 - по урочищу «Старая просека» и № 3 - по урочищу «Виноградова». С учетом требуемых уклонов рекультивируемой поверхности их емкость составляет соответственно 423, 2477 и 387 тыс. м3. Источниками грунта служат пруд у дамбы гидроотвала, объем которого 2064 тыс. м3, и каналы: по р. Еловка, в ур. «Виноградовка» и в ур. «Старая просека», объемы земляных работ при строительстве которых составляют соответственно 875, 225 и 147 тыс. м3.

Методом линейного программирования с учетом мест изъятия пород и их укладки определен оптимальный план рекультивационных работ по формированию техногенного рельефа землесосным снарядом.

Земснаряд монтируется в начале второй части центрального канала по р. Еловка (см. рис. 4) и начинает проходку канала и замыв лога № 1. Замыв лога № 1 (425000 м3) прекращается примерно в 200-300 м от точки 5, после чего оставшиеся ¡05000 м из канала транспортируются в лог № 3. Из точки

Рис. 5. Переукладка гидросмеси и переформирование рельефа заполненного гидроотвала: - земснаряд; 2 - плавучий пульпопровод; 3 - береговой пульпопровод; 4 - тело гидроотвала; 5 - расчётный профиль поверхности гидроотвала после рекультивации; 6 - гидросмесь, уложенная в расчётный профиль; 7 - выпуск гидросмеси

В земснаряд поворачивается и начинает проходку канала по ур «Виноградова», продолжая намыв лога № 3 После проходки последнего участка канала !¥;, и канала И-'з (объем 225000 м3) в лог № 3 необходимо уложить еще 60000 м3

Земснаряд возвращается в точку В и движется до точки А и заполняет лог № 3 полностью После этого земснаряд проходит канал Щ и укладывает его грунт (147000 м3) в лог № 2. После чего земснаряд возвращается в точку А и продолжает проходку канала IVг, перемещая из него 285000 м3 в лог № 2, а после окончания строительного канала земснаряд начинает разработку грунтов пруда и 2043000 м3 укладывает в лог № 2 Из пруда земснаряд укладывает 220000 м3 по периферии пруда, формируя естественную береговую линию

Суммарный объем переукладки пород гидроотвала для полной рекультивации составляет около 3,3 млн м3

Формирование рельефа гидроотвала с использованием земснаряда позволит создать (рис 4)

- сенокосно-пастбищные угодья в зонах сезонного подтопления в верховьях логов №№ 2, 3, в логах №№ 4-8, в пойме р Еловка (на территории пруда № 1 и по основному каналу) общей площадью 150,3 га,

- пахотные угодья, для выращивания зерновых или создания овощных хозяйств вне зоны сезонного подтопления в урочищах «Виноградовка» и «Старая просека», общей площадью 57,8 га,

- пруд площадью 22,4 га с объемом воды в 2,0 млн м3, с зоной отдыха и пляжем протяженностью 650 м, площадью 3,25 га, способной принять около 1600 человек

Для проведения работ по формированию рельефа поверхности гидроотвала разреза «Моховский» на р Еловка целесообразно применение землесосных снарядов 200-50 или 350-50Л Сметные расчеты, произведенные для указанных типов земснарядов при проведении различных видов рекультива-ционных работ (проведение каналов, строительство водоема, замыв логов), позволили осуществить технико-экономическое сравнение проводимых работ этими земснарядами

Таким образом, при применении землесосных снарядов стоимость выемки 1 м3 грунта при проведении каналов составляет в ценах 2005 г 33,55 и 32,39 руб , а при обустройстве пруда - 41,46 и 28,09 руб соответственно для земснарядов 200-50 и 350-50Л

Общая стоимость работ по рекультивации гидроотвала при применении земснаряда 350-50Л составляет 109429,71 тыс руб, что обеспечивает экономическую эффективность его применения по сравнению с земснарядом 200-50 свыше 25 млн руб (в ценах 2005 г)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе изложены научно обоснованные технические и технологические разработки по установлению параметров и выбору технологических схем формирования техногенного рельефа долинных гидроотвалов вскрышных пород с низкой несущей способностью их поверхности для восстановления морфосистемы региона с учетом гидрометеорологических условий и литологического состава вскрышных пород, позволяющих с использованием земснарядов формировать экологически адекватный рельеф и создавать условия для сельскохозяйственного и рекреационного использования восстанавливаемой территории, что вносит существенный вклад в повышение эффективности открытой разработки угольных месторождений и рациональное использование земельных ресурсов

Основные выводы и результаты, полученные в диссертации, заключаются в следующем

1 При формировании долинных гидроотвалов для их последующего восстановления необходимо учитывать геоморфологические требования обеспечения устойчивости техногенного рельефа и его адекватности

Под экологически адекватным (на геоморфологическом уровне) восстановлением поверхности подразумевается такая совокупность технологических процессов формирования техногенного рельефа, которая обеспечивает возвращение нарушенных земель в природную геоморфосистему ландшафтных комплексов с прежними функциями речной долины - сбор и пропуск осадков

2 Установлены зависимости для расчета величины уклона тальвега долины на техногенной поверхности долинного гидроотвала Он должен находиться в диапазоне, который определяется величинами неразмываемого и не-заиливающего уклонов (зависимости (2) и (3))

Разработан алгоритм (методика) расчета параметров техногенного рельефа для долинных гидроотвалов

3 Замер фактических уклонов экспериментально намытой поверхности гидроотвала в верховьях Ульяновского и Виноградовского логов гидроотвала на реке Еловка разреза «Моховский» показал совпадение экспериментальных и расчетных значений их величины

4 Объем вскрышных пород, уложенных в гидроотвал, позволяющий восстановить главную функцию рельефа долинного гидроотвала по сбору и пропуску осадков, не нарушая эрозионно-аккумулятивную деятельность водотока, протекающего по тальвегу долины, является экологическим пределом вместимости долинных гидроотвалов

5 Определены неразмывающий /=2910"4 и незаиливающий / = 19 10'4 уклоны для основных логов гидроотвала на реке Еловка разреза «Моховский», что позволило обосновать экологически адекватный рельеф поверхности гидроотвала после его восстановления и определить суммарный

объем переукладки пород на площади гидроотвала, который составит около 3,3 млн м3.

6 Создание устойчивого техногенного рельефа поверхности долинных гидроотвалов с низкой (менее 0,29 МПа) несущей способностью целесообразно осуществлять с использованием автономных землесосных снарядов

7. Экологически адекватный рельеф восстанавливаемой части гидроотвала на реке Еловка разреза «Моховский» возможно сформировать за счст грунта, вынимаемого для создания пруда будущей рекреационной зоны у дамбы гидроотвала и русла будущего канала р Еловка, а также каналов по урочищам «Старая просека» и «Виноградовка».

Методом линейного программирования с учетом мест изъятия пород и их укладки определен оптимальный план работ по формированию техногенного рельефа долинного гидроотвала землесосным снарядом

8. Формирование долинного гидроотвала на реке Еловка разреза «Моховский» с использованием землесосных снарядов позволяет создать

- сенокосно-пастбищные угодья общей площадью 150,3 га,

- пахотные угодья для выращивания зерновых или создания овощных хозяйств вне зоны сезонного подтопления - 57,8 га,

- пруд площадью 22,4 га с объемом воды в 2 млн м3, с зоной отдыха и пляжем, способным принять 1600 человек

9 Технико-экономическое сравнение вариантов применения земснарядов 200-50 и 350-50Л показало, что работы по восстановлению поверхности гидроотвала на реке Еловка разреза «Моховский» с применением землесосного снаряда 350-50Л позволят создать устойчивый техногенный рельеф поверхности и рекреационную зону с прудом на площади бывшего гидроотвала и получить экономический эффект свыше 25 млн руб. (в ценах 2005 г)

Основные положения диссертации опубликованы

в изданиях, рекомендованных ВАК России

1 Кононенко, Е А. Принципы рекультивации гидроотвала разреза "Моховский" УК "Кузбассразрезуголь" / Е. А Кононенко, С И Протасов, А.Т Мироненко // Горный информационно-аналитический бюллетень - М МГГУ, 2004 - № 6 - С 233-234

2 Кононенко, Е А Формирование долинных гидроотвалов с учетом последующей рекультивации / Е А Кононенко, С И Протасов, А Т Мироненко // Горный журнал - 2005 - №8 - С 94- 95

3 Кононенко, Е А Экологический предел вместимости долинных гидроотвалов Кузбасса / Е А Кононенко, С И.Протасов, А Т Мироненко // Горный информационно-аналитический бюллетень - М МГГУ, 2005 - № 9 -С,222-228

а также других изданиях

4 Протасов, С И Геоморфологические принципы рекультивации долинных гидроотвалов /СИ Протасов, А Т Мироненко // Энергетическая безопасность России Новые подходы к развитию угольной промышленности тр междунар науч -практ конф - Кемерово ННЦ ГП (ИГД им А.А Скочинского), ИУУ СО РАН, КузГТУ, ЗАО КВК «Экспо-Сибирь» (1619 09 04) -2004 - С 92-97

5 Мироненко, А Т Применение землесосных снарядов для рекультивации гидроотвалов вскрышных пород // Энергетическая безопасность России Новые подходы к развитию угольной промышленности тр междунар науч -практ конф - Кемерово ННЦ ГП (ИГД им А А Скочинского), ИУУ СО РАН, КузГТУ, ЗАО КВК «Экспо-Сибирь» (30 08-02 09 05) - 2005 - С 86-91.

Подписано в печать 22 05 2008 Формат 60x84/16 Бумага офсетная Отпечатано на ризографе. Тираж 120 экз Заказ ^ Кузбасский государственный технический университет 659926, Кемерово, ул. Весенняя, 28. Типография ГУ Кузбасского государственного технического университета 650099, Кемерово, ул Д Бедного, 4а

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Мироненко, Александр Тихонович

ВВЕДЕНИЕ '

Раздел 1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРИНЦИПЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

ПРИРОДНЫХ ПРОЦЕССОВ И АНТРОПОГЕННОГО

РЕЛЬЕФА

1.1. Воздействие природных рельефообразующих процессов на антропогенный рельеф

1.2. Анализ и оценка существующих методов обоснования параметров восстанавливаемой поверхности

1.3 Анализ морфосистем Кузнецкого угольного бассейна и задачи экологически адекватного восстановления нарушенных земель

1.4. Цель, задачи и методы исследований

Раздел 2. ОБОСНОВАНИЕ ПРИНЦИПОВ ФОРМИРОВАНИЯ

ТЕХНОГЕННОГО РЕЛЬЕФА ДЛЯ ПОСЛЕДУЮЩЕЙ

РЕКУЛЬТИВАЦИИ ДОЛИННЫХ ГИДРООТВАЛОВ

2.1. Принципы обеспечения устойчивости рельефа, формируемого для последующей рекультивации долинных гидроот- 52 валов

2.2. Физические и гидроклиматические основы формирования техногенного рельефа на площади долинных гидроотвалов

2.3. Экологический предел вместимости долинных гидроотвалов

2.4. Методика расчета параметров техногенного рельефа долинных гидроотвалов при их формировании

2.4.1. Методика расчета параметров форм рельефа при русловой динамике склоновых условий

2.4.2. Методика расчета параметров форм рельефа при нерусловой динамике склоновых условий

• 2:5. Гйдрамеханизированная технология формирования техно-: - г генного рельефа . . ; , :

Выводы по разделу 2 / •

Раздел 3. ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОГЕННОГО РЕЛЬЕФА ГИДРООТВАЛА НА РЕКЕ ЕЛОВКА РАЗРЕЗА «МОХОВСКИЙ»

3:1. Особенности формирования техногенного рельефа гидроотвала

3.2. Расчет параметров форм рельефа для формирования первой очереди гидроотвала на реке Еловка разреза «Моховский»

3.3. Технические предложения по формированию техногенно-. го рельефа на площади гидроотвала на реке Еловка разреза «Моховский» ■ . 1.

Выводы по разделу 3 •

Раздел 4. ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ РЕЛЬЕФА НА ПЛОЩАДИ ГИДРООТВАЛА НА РЕКЕ ЕЛОВКА РАЗРЕЗА . «МОХОВСКИЙ» •

4.1. Организация работ по переукладке пород земснарядом

4.2. Обоснование параметров технических средств и технологии; переукладки пород на гидроотвале

4.3. Технико-экономическое сравнение вариантов применения различных типов землесосных снарядов для формирования техногенного рельефа на площади гидроотвала на реке

Еловка разреза «Моховский»

Выводы по разделу

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Обоснование параметров рельефа долинных гидроотвалов вскрышных пород для ликвидации негативного воздействия на окружающую среду"

Актуальность работы. Гидроотвалы являются составной частью весьма эффективной, гидромеханизированной технологии разработки вскрышных пород на карьерах, но при этом характеризуются сравнительно большой зем-леемкостью. Так в Кузбассе гидроотвалы угольных разрезов занимают свыше 3500 га, а в бассейне Курской магнитной аномалии около 5000 га занято гидроотвалами и хвостохранилищами.

Чаще всего гидроотвалы размещают в оврагах, балках и долинах малых рек, так как значительная часть этих территорий является малопригодной для сельскохозяйственного использования, при этом требуется небольшой объем работ по обвалованию для созд ания первоначальной емкости.

Особенностями условий восстановления поверхности гидроотвалов после окончания их формирования являются, с одной стороны, потенциальное плодородие укладываемых пород, а с другой стороны, разжиженность грунтов и вызванная этим весьма низкая их несущая способность и слабая водоотдача, а также постоянная подпитка намывного массива атмосферными осадками в соответствии с местоположением гидроотвала в морфосистеме региона и контруклоном намытой поверхности по отношению к уклону тальвега основания.

Поэтому гидроотвалы даже после окончания их замыва и проведения горнотехнического и биологического этапов рекультивации, в результате постоянной подпитки атмосферными осадками или грунтовыми водами, заболачиваются. Например, территория внутренних зон гидроотвала «Березовый Лог» на КМА, составляющая около 750 га, несмотря на значительные затраты на ее восстановление, почти на треть подвержена заболачиванию, в результате чего произошло изменение видов растительности. Посевные травы вытесняются болотной растительностью - камышом и кустарниками, воестановленная^ территория становится малопригодной для сельскохозяйственного использования.

С целью исключения подобных явлений в Кузбассе, где гидроотвалы, в частности гидроотвал на реке Еловка разреза «Моховский», заполнены более чем на 75 % от их проектной вместимости, необходимо обосновать выбор такого типа рельефа долинных гидроотвалов вскрышных пород, параметров и технологии его формирования, при которых обеспечивается устойчивое и полноценное использование восстановленных земель с точки зрения экологии.

Целью работы является обоснование параметров и технологии формирования рельефа долинных гидроотвалов вскрышных пород, обеспечивающих экологически устойчивое неэффективное использование восстанавливаемых территорий для их последующей рекультивации.

Идея работы заключается в использовании геоморфологических принципов для определения параметров и технологических схем формирования рельефа долинных гидроотвалов и ликвидации негативного воздействия их на окружающую среду.

Задачи исследований:

- обоснование формы и параметров техногенного рельефа долинных гидроотвалов, формируемого в процессе отвалообразования вскрышных пород, по которому будут протекать водотоки;

- обоснование выбора технических средств и параметров технологических схем формирования рельефа долинных гидроотвалов с низкой несущей способностью поверхности;

- обоснование принципов и методики определения вместимости долинных гидроогвалов с точки зрения технологических и экологических требований.

Методы исследований:

- анализ и обобщение проведенных ранее теоретических и экспериментальных работ по данному направлению исследования;

- аналитические исследования,-с использованием основополагающих положений физики, гидравлики, -гидромеханизации, геоморфологии и механики, включая методы обработки результатов исследований с помощью ЭВМ и технико-экономический анализ.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Уклон водотока, создаваемого на поверхности долинного гидроотвала, определяет форму и параметры его рельефа и должен исключать размыв и заиление ложа водотока, обеспечивая беспрепятственныйшропуск па-.водковых вод, при этом диапазон его значений определяется исходя из гидрометеорологических условий региона и-литологического состава укладываемых пород.

2. Для долинных гидроотвалов с низкой (менее 0,29 МПа) несущей способностью их поверхности эффективно применение землесосных снарядов, позволяющих формировать экологически адекватный рельеф за счет оптимальной переукладки намытых пород в<ходе строительства системы каналов для пропуска паводковых вод и водоема для рекреационного использоN вания восстанавливаемой территории.

3. Гидроотвал, расположенный в долине, с точки зрения экологии имеет предел вместимости, который определяется возможностями восстановления функции его рельефа в морфосистеме региона по пропуску осадков, не нарушая эрозионно-аккумулятивную деятельность водотока, протекающего по тальвегу долины.

Научная новизна работы заключается:

- в выявлении закономерностей для расчета уклона водотока, формируемого в процессе отвалообразования вскрышных пород в долинном гидроотвале для последующего его восстановления и обеспечивающего исключение размыва его основания и пропуск паводковых вод с учетом гидроклиматических условий региона и литологического состава намываемых пород;

• - в обосновании возможности использования в процессе отвалообра-зования вскрышных пород землесосных снарядов для формирования экологически адекватного рельефа поверхности за счет оптимальной переукладки' пород долинных гидроотвалов с низкой (менее 0,29 МПа) несущей способностью его поверхности и формирования системы каналов для пропуска паводковых вод, а также создания водоема для рекреационного использования восстанавливаемой территории;

- в обосновании понятия и величины предела экологической вместимости долинных гидроотвалов.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций диссертационной работы основаны на использовании широкого диапазона научных методов исследований, включающих анализ и обобщение теоретических и экспериментальных работ, и подтверждаются сходимостью результатов аналитических исследований с данными экспериментов в производственных условиях, использованием результатов научных исследований в проектировании.

Личный вклад автора состоит в проведении анализа условий формирования гидроотвалов и современных методов их восстановления, выявлении зависимостей, определяющих диапазон величины уклона восстанавливаемой территории поверхности долинных гидроотвалов с учетом гидроклиматических условий региона и литологического состава намытых пород, а также в обосновании понятия предела экологической вместимости гидроотвалов, разработке рекомендаций по проведению горнотехнического этапа рекультивации гидроотвала на реке Еловка филиала ОАО «УК «Кузбассразрез-уголь» «Моховский угольный разрез» с использованием землесосных снарядов.

Научное значение работы состоит в установлении зависимостей, определяющих диапазон величины уклона рекультивируемой территории появерхности • долинных?" гидроотвалов независимости • от. гидроклиматических' условий региона и литологического состава намытых пород. . • • :; ;

Практическая^ ценность работы заключается в разработке: методики расчета параметров техногенного рельефа долинных гидроотвалов с низкой несущей! способностью, обосновании техники и технологии для их восстановления.

Реализация выводов* и рекомендаций: Рекомендации по восстановлению нарушенных земель использованы институтом «Кузбассгипрошахт» в «Рабочем проекте наростки дамбы гидроотвала на реке Еловка филиала ОАО «УК «Кузбассразрезуголь», а методика расчета. параметров техногенного рельефа долинных гидроотвалов принята к реализации институтом «Даль-востНИИпроектуголь». г

Апробация; работы; Результаты исследований докладывались на,* симпозиуме «Неделя горняка» (Москва; МЕЕУ, 2004-2005гг.); нанмеждународ-ных конференциях «Энергетическая: безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности» (Кемерово; 2004-2007гг.), на техническом совещании филиала: ОАО «УК «Кузбассразрезуголь» «Моховский угольный разрез».

Публикации. Основные результаты исследований и научные положения опубликованы в 5 научных работах, в том числе 3 — в изданиях, рекомендованных ВАК России:.

Объем работы; Диссертационная работа изложена на 175 страницах машинописного текста и состоит-из введения, четырех глав, заключения,, одного • приложения? и содержит 3б рисунков, 19 таблиц; список литературы из 99 наименований.

1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРИНЦИПЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПРИРОДНЫХ ПРОЦЕССОВ И АНТРОПОГЕННОГО РЕЛЬЕФА

Заключение Диссертация по теме "Геотехнология(подземная, открытая и строительная)", Мироненко, Александр Тихонович

Основные выводы и результаты, полученные в диссертации, заключаются в следующем:

1. При формировании долинных гидроотвалов для их последующего восстановления необходимо учитывать геоморфологические требования обеспечения устойчивости техногенного рельефа и его адекватности.

Под экологически адекватным (на геоморфологическом уровне) восстановлением поверхности подразумевается такая совокупность технологических процессов формирования техногенного рельефа, которая обеспечивает возвращение нарушенных земель в природную геоморфосистему ландшафтных комплексов с прежними функциями речной долины - сбор и пропуск осадков.

2. Установлены зависимости для расчета величины уклона тальвега долины на техногенной поверхности долинного гидроотвала. Он должен находиться в диапазоне, который определяется величинами неразмывае-мого и незаиливающего уклонов (зависимости (2) и (3)).

Разработан алгоритм (методика) расчета параметров техногенного рельефа для долинных гидроотвалов.

3. Замер фактических уклонов экспериментально намытой поверхности гидроотвала в верховьях Ульяновского и Виноградовского логов гидроотвала на реке Еловка разреза «Моховский» показал совпадение экспериментальных и расчетных значений их величины.

4. Объем вскрышных пород, уложенных в гидроотвал, позволяющий восстановить главную функцию рельефа долинного гидроотвала по сбору и пропуску осадков, не нарушая эрозионно-аккумулятивную деятельность водотока, протекающего по тальвегу долины, является экологическим пределом вместимости долинных гидроотвалов.

5. Определены неразмывающий /=29-10'4 и незаиливающий л

I — 19-10" уклоны для основных логов гидроотвала на реке Еловка разреза «Моховский», что позволило обосновать экологически адекватный рельеф поверхности гидроотвала после его восстановления и определить суммарный объем переукладки пород на площади гидроотвала, который составит около 3,3 млн м3.

6. Создание устойчивого техногенного рельефа поверхности долинных гидроотвалов с низкой (менее 0,29 МПа) несущей способностью целесообразно осуществлять с использованием автономных землесосных снарядов.

7. Экологически адекватный рельеф восстанавливаемой части гидроотвала на реке Еловка разреза «Моховский» возможно сформировать за счет грунта, вынимаемого для создания пруда будущей рекреационной зоны у дамбы гидроотвала и русла будущего канала на реке Еловка, а также каналов по урочищам «Старая просека» и «Виноградовка».

Методом линейного программирования с учетом мест изъятия пород и их укладки определен оптимальный план работ по формированию техногенного рельефа долинного гидроотвала землесосным снарядом.

8. Формирование долинного гидроотвала на реке Еловка разреза «Моховский» с использованием землесосных снарядов позволяет создать:

- сенокосно-пастбищные угодья общей площадью 150,3 га;

- пахотные угодья для выращивания зерновых или создания овощных хозяйств вне зоны сезонного подтопления - 57,8 га;

- пруд площадью 22,4 га с объемом воды в 2 млн м , с зоной отдыха и пляжем, способным принять 1600 человек.

9. Технико-экономическое сравнение вариантов применения земснарядов 200-50 и 350-50Л показало, что работы по восстановлению поверхности гидроотвала на реке Еловка разреза «Моховский» с применением землесосного снаряда 350-50Л позволят создать устойчивый техногенный рельеф поверхности и рекреационную зону с прудом на площади бывшего гидроотвала и получить экономический эффект свыше 25 млн руб. (в ценах 2005 г.).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе изложены научно обоснованные технические и технологические разработки по установлению параметров и выбору технологических схем формирования техногенного рельефа долинных гидроотвалов вскрышных пород с низкой несущей способностью их поверхности для восстановления морфосистемы региона с учетом гидрометеорологических условий и литологического состава вскрышных пород, позволяющих с использованием земснарядов формировать экологически адекватный рельеф и создавать условия для сельскохозяйственного и рекреационного использования восстанавливаемой территории, что вносит существенный вклад в повышение эффективности открытой разработки угольных месторождений и рациональное использование земельных ресурсов.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Мироненко, Александр Тихонович, Кемерово

1. Воскресенский С.С. Геоморфологическое районирование СССР и прилегающих морей. М.: Высшая школа, 1980. - 343 с.

2. Терминология открытых горных работ. / Под общ. ред. В.В.Ржевского и др. М.: МГИ, 1987. - 95 с.

3. Звонкова Т.В. Прикладная геоморфология. М.: Высшая школа, 1970.-272 с.

4. Симонов Ю.Г. Инженерная геоморфология, основные задачи и пути развития // Геоморфология и строительство. Вопросы географии. М.: Мысль, 1979. - Вып. 111.- С. 14-22.

5. Фельдбарг Н.Е. Нарушение динамического равновесия природной среды под воздействием антропогенных процессов // Климат, рельеф и деятельность человека. М.: Наука, 1981. - С. 64-70.

6. Розанов Л.Л. Интегральная геоморфология и инженерно-геоморфологические исследования // Проблемы инженерной геоморфологии: Тез. докл. Всес. конф. М.: 1987. - С. 70-72.

7. Куприянова Т.П. Обзор представлений об устойчивости физико-географических систем // Устойчивость геосистем. М.: Наука, 1983. - С. 7-13.

8. Бочавер А.П. К проблеме изучения устойчивости геоморфологических систем // Геоморфология. 1977. - № 4. - С. 74-80.

9. Преображенский B.C. Проблемы изучения устойчивости геосистем // Устойчивость геосистем. М.: Наука, 1983. - С. 4-7.

10. Tsuboi С. Investigation on the deformation of the earths crust found by precise geodetic means. Japanesej. Astron. and Geophys. 10.- 1963. P. 93248.

11. Stone R. Geologic and engineering significane of changes in elevation refealed by precise leveling, Los Angeles area, California. Geol. Soc. Am. Spec. Paper 68, 1961. P. 57-68.

12. Tricart J. Introduction to Ceomorphology / J/Tricart, A.Cailleux. L., 1972.-295 p.

13. Schum S.A. Episolic erosion: a modification on the geomorphic cycle Theories of landform development.- 1976.-1 4. - 69-85p.

14. Peltier L.C. Pleistocene terraces of the Susquehanna River, Pennsylvania, Penn. Topog. and Geol. Surv., Bull., 1949, G 23. - 158 p.

15. Garner H.F. The origin of landscapes, London, 1974, Oxford Univ.1. Press.

16. Анзимиров JI.B. Оценка устойчивости техногенного рельефа в морфосистемах Кузбасса в связи с проблемой рекультивации долинных гидроотвалов: Дисс. . канд географ, наук. М., 1990. 162 с.

17. Gardner Th. W. Watershed Dynamics of Surflacemined bassins // Earth and Min. Sei., 1985, 54, n 2. P. 13-16.

18. Таран O.A. О возможности применения моделей устойчивого рельефа при проектировании малых водохранилищ и прудов // Вестник Харьковского ун-та. 1987. - Вып. 306. - С. 79-80.

19. Черванцев И.Г. Проектирование динамически равновесного эро-зионно-денудационного рельефа в связи с водоохранной деятельностью / И.Г.Черванцев, Н.В.Куценко, В.Г.Магмедов // Охрана вод от загрязнения поверхностным стоком. Харьков, 1983. - С. 92-101.

20. Маккавеев Н.И. Русло реки и эрозия в ее бассейне. М.: АН СССР, 1955. - 263 с.

21. Toy Y. Geomorphology of surfacemined lands in Western United States. In: Dev. and appl. Geomorphol., Berlin, 1984. - P. 133-170.

22. Охрана природы. Земли. Классификация нарушенных земель для рекультивации. ГОСТ 17.5.1.02-78.

23. Охрана природы. Земли. Классификация малопродуктивных угодий. ГОСТ 17.5.1.06-84.

24. Охрана природы. Земли. Требования к охране плодородного слоя почвы при производстве земляных работ. Стандарт СЭВ 4471-84.

25. Охрана природы. Рекультивация земель. Общие требования к землеванию. ГОСТ 17.5.3.05-84.

26. Охрана природы. Рекультивация земель. Общие требования. ГОСТ 17.5.3.04-83.

27. Методические указания по составлению схем (разделов) рекультивации и землевания. -ГИЗР.- Мытищи, 1990. 133 с.

28. Супрун В.И. Формирование отвальных массивов при открытой разработке крупных угольных брахосинклиналей: Дисс. . докт. техн. наук. М.: МГГУ, 1997. - 465 с.

29. Одум Ю. Экология. М.: Мир, 1986. - 740 с.

30. Гальперин A.C. Техногенные массивы и охрана окружающей среды / А.С.Гальперин, В.Ферстерев, Х.-Ю.Шер.- М.: МГГУ, 1997.

31. Русский И.И. Технология отвальных работ и рекультивация на карьерах. М.: Недра, 1979. - 221 с.

32. Полищук A.K. Техника и технология рекультивации на открытых разработках / А.К.Полищук, А.М.Михайлов, И.И.Заудальский и др. М.: Недра, 1977.-214 с.

33. Эскин B.C. Рекультивация земель, нарушенных открытыми разработками. М.: Недра, 1975. - 182 с.

34. Титовский В.И. Опыт рекультивации нарушенных земель в бассейне КМА / В.И.Титовский, А.Г.Калашников, А.М.Бабец // Обзорная информация.- Вып. 2 М.: Черметинформация, 1988.

35. Томаков П.И. Экология и охрана природы при открытых горных работах / П.И.Томаков, В.С.Коваленко, А.М.Михайлов, А.Г.Калашников. -М.: МГГУ, 1994.-417 с.

36. Бабец A.M. Использование средств гидромеханизации для ре-культивационных работ в бассейне КМА / А.М.Бабец, Б.А.Симкин, В.И.Титовский //Горный журнал. 1978. - № 2.

37. Бабец A.M. Исследование и выбор рациональных технологических схем рекультивационных работ. Дисс. . канд. техн. наук. - М., 1981. - 132 с.

38. Лутовинов А.Г. Рекультивация земель при гидромеханизированных работах. М.: НТГО, 1984. - 72 с.

39. Кононенко Е.А. Санитарно-гигиеническая рекультивация средствами гидромеханизации откосов внешних отвалов коренных пород / Е.А.Кононенко, Е.П.Щербакова // Новые технологии и технические средства гидромеханизации и подводной добычи. М.: МГГУ, 1994.

40. Леонтьев O.K. Общая геоморфология / О.К.Леонтьев, Г.ИРычагов. М.: Высшая школа, 1988. - 186 с.

41. Кононенко Е.А. Экологически адекватная рекультивация средствами гидромеханизации / Е.А.Кононенко, Е.П.Щербакова // Экологические проблемы горного производства: Тез. докл. н.-т. конф. М.: МГГУ, 1993.

42. Кононенко Е.А. Опыт применения и перспективы гидромеханизации на карьерах // Горный журнал. 1998.- №№ 3, 7.

43. Кононенко Е.А. Строительство рекреационной зоны при рекультивации нарушенных открытыми работами земель / Е.А.Кононенко, A.B.Русский, А.Е.Кононенко // Горный журнал. 1998. - № 7.

44. Анзимиров Л.В. Геоморфологический анализ при рекультивации региональных нарушений рельефа // Новые исследования и разработки технологии и технических средств морской добычи и гидромеханизации. -М.:МГИ, 1991.-С. 56-57.

45. Ritter Jh. Runoff Curve Numbers for Reclamed Surface Mine Watersheds in Central Pennsylvania / Jh.Ritter, Th. W.Gardner // J. Of the Irrigation and Drainage Div., ASCE, 1991 (in press).

46. Gardner Th. W. Watershed Dynamics of Surflacemined bassins // Earth and Min. Sei, 1985, 54, п. 2. P. 13-16.

47. Кононенко E.A. Научное обоснование гидровскрышных технологий, комплексно обеспечивающих формирование и сбережение ресурсов. -Дисс. . докт. техн. наук. М.: 1999. - 317 с.

48. Географический энциклопедический словарь (Понятия и термины). М.: Советская энциклопедия, 1988. - 432 с.

49. Спиридонов А.И. Основы общей методики полевых геоморфологических исследований и геоморфологического картографирования. М.: Высшая школа, 1970. - 456 с.

50. Симонов Ю.Г. Региональный геоморфологический анализ. М.: МГУ. 1972.-С. 252.

51. Cleaves Е. Gochemical balans of a small watershed and its geomor-phic implications / E.Cleaves, A.Godtrey, O.Briker. Geol. Soc. Amer., Bull, 1970, 81, 10.-P. 53-85.

52. Webb B. W. Erosion and sedimentation. IAHS, pabl, 1987.- 171. -P. 51-62.

53. Leopold L.B. Channe and hillslope process in semiarid New-Mexico US Gool, Sorv. Prof / L.B.Leopold, W.W.Emmett, R.M.Myrick. 352-G, 193253.

54. Николаева Л.П. Картографический метод исследования антропогенных ландшафтов и прогнозирование их развития // Методы создания территориальных комплексов схем охраны природы: Тез. докл. Всес. совещания. М.: 1982. - С. 141-145.

55. Николаева Л.П. О картографическом мониторинге антропогенных ландшафтов // Комплексный мониторинг и практика: Тез. докл. Всес. симпозиума. М.: 1991. - С. 79-80.

56. Николаева Л.П. Системное картографирование природно-техногенных комплексов // Рекультивация ландшафтов, нарушенных промышленной деятельностью: Докл. Т. 1. ПНР: Забже, 1980. - С. 227239.

57. Файнер Ю.Б. Кузнецкая котловина // История развития рельефа Сибири и Дальнего Востока. Алтая-Саянская горная область. М.: Наука, 1969.-е. 137-154.

58. Русский A.B. Формирование техногенного рельефа нарушенных территорий средствами гидромеханизации. Дисс. . канд. техн. наук - М, 1999.

59. Кононенко Ю.В. Геоморфологическое обоснование параметров техногенного рельефа при рекультивации нарушенных горными работами земель. Дисс. . канд. техн. наук. - М., 2003.

60. Разработать способы рекультивации отвалов угольного разреза «Моховский» ПО «Кемеровокуголь»: Отчет по НИР. Кемерово: Кемеровский НИИ сельского хозяйства, 1988.

61. Цытович H.A. Механика грунтов. M.-: Высшая школа, 1983.

62. Гальперин A.M. Гидрогеология и инженерная геология /

63. A.М.Гальперин, В.С.Зайцев, Ю.А.Норватов. М.: Недра, 1989. - 383 с.

64. Лебедев В.Г. О принципах геоморфологического районирования Вестник Московского университета. Сер. Геогр., 1972.-1 1.

65. Schum S.A. The fluvial system. NY, Wiley - intersciences, 1977.355p.

66. Розанов Л.Л. Геотехноморфосистемы и рельефообразование // Основные проблемы теоретической геоморфологии.- Новосибирск: Наука, 1985.

67. Зорина Е.Ф. Расчетные методы определения потенциала овражной эрозии // Эрозия почв и русловые процессы.- М.: Изд-во Моск. ун-та, 1979.-С. 81-89.

68. Мирцхулава Ц.Е. Инженерные методы расчета прогноза водной эрозии.- М.: Колос, 1970.- 583 с.

69. Маккавеев Н.И. Русловые процессы / Н.И.Маккавеев, Р.С.Чалов.-М.: Изд-во Моск. ун-та, 1986, 259 с.

70. Боголюбова И.В. Вопросы формирования и развития оврагов/ И.В.Боголюбова, А.В.Караушев // Тр. ГТИ- М., 1979.- Вып. 267.- С. 5-15.

71. Московкин В.М. Моделирование выработанного профиля речной долины с помощью уравнения баланса наносов/ В.М.Московкин, Н.В.Куценко. Геоморфология.- 1983.- № 3.- С. 48-55.

72. Нурок Г.А. Гидротранспорт горных пород: Учебное пособие / Г.А.Нурок, Ю.В.Бруякин, В.В.Ляшевич. М.: МГИ, 1974. - 168 с.

73. Ялтанец И.М. Гидромеханизация, справочный материал/ И.М.Ялтанец, В.К.Егоров. М.: МГГУ, 1999. - 335 с.

74. Кортелев О.Б. Региональный подход в совершенствовании технологии и организации горных работ на карьерах Сибири/ О.Б. Кортелев, М.Л. Медведев, ИИ. Вашлаев, Е.А. Подсохин // Минеральное сырье и природа. Новосибирск: Наука, 1988.

75. Сурмач Г.П. Опыт расчета смыва почв для построения комплекса противоэрозионных мероприятий // Почвоведение. 1979.- № 4.- С. 92-104.

76. Зорина Е.Ф. Опыт районирования равнин СССР по величинам модуля стока дождевых паводков с малых водосборов / Е.Ф.Зорина, Ю.И.Павлов // Эрозия почв и русловые процессы. Вып. 3.- М.: МГИ, 1973.

77. Герасименко В.П. Метод расчета ливневого стока при проектировании противоэрозионных комплексов в Центрально-Черноземной зоне / В.П.Герасименко, М.В.Куманн // Географические исследования Курской магнитной аномалии.- М.: 1983. С. 118-132.

78. Русский В.А. Расчет уклонов рекультивируемых территорий /

79. B.А.Русский, Е.А.Кононенко, A.B.Русский // Охрана природы, совершенствование техники и технологии на карьерах. М.: МГГУ, 1994. - С. 62-64.

80. Орлов В.Г. К вопросу оптимизации параметров техногенного рельефа // Перспективы развития открытых разработок угольных месторождений.- Кемерово, 1985.- С. 33-35.

81. Михайлов A.M. Охрана окружающей среды при разработке месторождений открытым способом.- М.: Недра, 1981.- 183 с.

82. Кононенко Е.А. Перспективы гидровскрышных работ на уголь-« ных разрезах / Е.А.Кононенко, В.Ф.Горте // Добыча угля открытым способом.- М: ЦНИЭИУголь, 1984.- № 6.

83. Левская Л.Л. Итоги вегетационных опытов по оценке плодородия вскрышных пород Кузбасса / Л.Л.Левская, Ф.К.Рагим-Заде // Проблемы рекультивации земель в СССР.- Новосибирск: Наука, 1974.- С. 145-148.

84. Разработать и внедрить технологические схемы гидровскрышных работ, основанных на применении энергосберегающих процессов, с учетом требований экологии. Отчет МГИ.- М., 1989.

85. Анзимиров Л.В. Оптимизация форм техногенного рельефа на примере долинных гидроотвалов Кузбасса // Проблемы инженерной географии. Тез. докл. Всес. конф.- М., 1987.- С. 125-126.

86. Пойкер X. Культурный ландшафт: формирование и уход.- М.: Агропромиздат, 1987.- 175 с.

87. Определение расчетных гидрологических характеристик. СНиП 2.01 14-83.-М., 1985.- С. 36.

88. Кононенко Е.А. Принципы рекультивации гидроотвала разреза "Моховский" УК "Кузбассразрезуголь" / Е.А.Кононенко, С.И.Протасов, А.Т.Мироненко // Горный информационно-аналитический бюллетень.-М.: МГГУ, 2004.- № 6.- С. 233-234.

89. Кононенко Е.А. Экологический предел вместимости долинных гидроотвалов Кузбасса / Е.А.Кононенко, С.И.Протасов, А.Т.Мироненко // Горный информационно-аналитический бюллетень.-М.: МГГУ, 2005.-№9.- С. 222-228.

90. Правила разработки единых районных расценок на строительные конструкции и работы. Сборник 1. Земляные работы. СНиП 1У-5-82.

91. Леви И.И. Инженерная гидрология. -М.: Высш. шк., 1968.-237 с.

92. Бессонов Е.А. Технология и механизация гидромеханизированных работ. М.: Центр, 1999. - 543 с.

93. Гавич И.К. Сборник задач по общей гидрогеологии / И.К.Гавич, А.А.Лучшева, С.М.Семенова-Ерофеева. М.: Недра, 1985. - 412 с.