Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Обоснование рационального освоения месторождений озерных сапропелей

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

Текст научной работыДиссертация по географии, кандидата технических наук, Холоднякова, Вера Алексеевна, Санкт-Петербург

■ U W-? - Л / У 7 Z/^ - У

-j

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации

Санкт-Петербургский государственный горный институт имени Г.В. Плеханова

(технический университет)

На правах рукописи

ХОЛОДНЯКОВА Вера Алексеевна

ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНОГО ОСВОЕНИЯ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ОЗЕРНЫХ САПРОПЕЛЕ!!

Специальность 11.00.11 - Охрана окружающей среды и

рациональное использование природных ресурсов

Дис с ертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ Доктор технических наук, профессор В.Б. ДОБРЕЦОВ

Санкт-Петербург 1999

Содержание

ВВЕДЕНИЕ 4

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМ ОСВОЕНИЯ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ОЗЕРНЫХ САПРОПЕЛЕЙ, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 12

1.1. Краткие сведения о развитии проблемы освоения

сапропелевых илов 12

1.2. Основные направления использования сапропелевых илов 18

1.3. Технологические свойства сапропелевых илов 26

1.4. Ресурсы сапропелевых илов Российской Федерации 37

1.5. Цель и задачи исследования 43

1.6. Выводы 47

2. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ СПОСОБОВ РАЗРАБОТКИ ПОДВОДНЫХ САПРОПЕЛЕВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ И ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ СТРАТЕГИИ «ЧИСТОГО ПРОИЗВОДСТВА» 49

2.1. Отечественный и зарубежный опыт 49

2.2. Экскаваторная разработка сапропелевых илов 60

2.3. Гидромеханизированный способ добычи сапропелей 62

2.4. Эколого-технологическая оценка существующих методов разработки и первичной переработки сапропелевых илов 71

2.5. Основные положения стратегии «Чистой продукции» для

разработки подводных сапропелевых месторождений 75

2.6. Выводы 84

3. ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНОЙ ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ САПРОПЕЛЕЙ 86

3.1. Факторы, определяющие выбор рациональных решений 86

3.2. Рационализация существующей техники и технологии

разработки озерных сапропелей 93

3.3. Разработка сапропелевых илов с использованием

мобильных модулей-блоков 108

3.4. Разработка озерных сапропелей скважинным методом 114

3.5. Влияние технических средств и технологий добычи сапропеля

на окружающую среду 126

3.6. Выводы 135

4. ОЗЕРНЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ И ВЛИЯНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ИЗМЕНЕНИЙ ГРУНТА НА БЕНТОС 137

4.1. Озерные экосистемы 137

4.2. Природные условия на водосборе озера Вишневского 144

4.3. Мониторинг обменных процессов между водной массой

и донными отложениями 150

4.4. Характеристика донных отложений и ее изменение в

результате добычи сапропелей 160

4.5. Изменение структурно-функциональных характеристик макрозообентоса при проведении работ по добыче сапропеля 163

4.6. Выводы 173

5. ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОЗЕРНЫХ САПРОПЕЛЕВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ЛЕНИНГРАДСКОЙ ОБЛАСТИ 174

5.1. Озерные месторождения сапропеля Ленинградской области

и целесообразность их разработки 174

5.2. Обоснование целесообразности разработки сапропеля

озера Вишневского 187

5.2.1. Краткая характеристика современного экологического состояния озера, его трофический статус. 187

5.2.2. Способы восстановления экосистемы озера 191

5.2.3. Рекомендации по рациональному режиму работ

при добыче сапропеля 195

5.3. Экономическая эффективность разработки озерных сапропелей 200

5.4. Выводы 221

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 224

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 226

Введение

Одна из существенных особенностей современного этапа развития общества состоит в том, что возможности вовлечения природных ресурсов в хозяйственный оборот определяются не только их наличием и доступностью, но и опасностью необратимых изменений природной среды под влиянием хозяйственной деятельности. Природный фактор выступает в этом случае как объективное ограничение, в рамках которого при современном уровне развития науки и техники должно быть, обеспечено максимально возможное сохранение природной среды, обладающей определенным ассимиляционным потенциалом по отношению к хозяйственной деятельности [40].

Противостояние экономики и экологии - одна из главных проблем охраны окружающей среды. Ее пытались решить в основном административно-правовыми методами, то есть на основе мер административного и уголовного наказания, а также запретов и ограничений. Практика показала, что такой метод регулирования отношений в области окружающей среды не принес ожидаемого эффекта. Закон об охране окружающей среды Российской Федерации 1992 года содержит совершенно новые подходы к решению вопросов охраны окружающей среды [67]. Необходимость такого закона в современных условиях вызвана двумя причинами - экологическим кризисом и переходом к рыночной модели хозяйствования. Требовалось остановить нарастающую деградацию природной среды и вместе с тем предотвратить возможность вредных последствий наступления на природу рыночной экономики. Охрана здоровья человека объявлена высшим приоритетом, поэтому должны быть определены предельно допустимые нормы хозяйственной деятельности в природной среде, являющейся источником естественных ресурсов.

Одним из основных видов хозяйственной деятельности, в значительной степени влияющей на окружающую среду, является горнодобывающая про-

мышленность, потребности в продукции которой постоянно увеличиваются [42, 70]. Однако невозобновляемость природных ресурсов и их ограниченность сдерживают рост добычи полезных ископаемых. Одним из направлений, которое позволяет увязать увеличение добычи сырья и рациональное освоение недр, является ориентация промышленности на освоение и нетрадиционных, возобновляемых источников полезных ископаемых. Одним из них являются месторождения озерных сапропелевых илов, запасы которых в результате эвтрофиро-вания озер ежегодно пополняются.

Под термином «сапропель» принято понимать тонкоструктурные коллоидальные отложения водоемов с содержанием органического вещества в пересчете на сухую массу более 15% [50]. Основной состав органического вещества сапропелей формируется из остатков отмирающих в водоеме растительных и животных организмов, частично пополняется привносимыми водой и ветром органическими примесями и растительными соединениями. Количество и состав минеральных компонентов сапропелей зависит от химического состава питающих водоемы вод и эрозивных процессов.

Широкий диапазон химического состава и физических свойств озерных отложений, большие запасы и широкая их распространенность в наиболее населенных регионах страны, а также относительная простота добычи и первичной переработки позволяют рассматривать их как важные ресурсы органического сырья для многих современных и перспективных направлений использования в сельскохозяйственном производстве, промышленности и медицине.

Сапропели используются в качестве связующего вещества при изготовлении строительных блоков и теплоизоляционных плит из так называемого са-пропелебетона, а также в литейном производстве в качестве компонента при изготовлении формовых смесей. Лечебные свойства сапропелей не менее эффективны, чем минеральных грязей. Но наиболее широкие перспективы у сапропе-

лей связаны с применением их в сельском хозяйстве в качестве удобрений и кормовых добавок.

Освоение озерных месторождений сапропелевых илов и удаление других донных осадков будут способствовать восстановлению гидрологического режима внутренних водоемов с одной стороны и обеспечению сельского хозяйства и других отраслей промышленности ценным органо-минеральным сырьем - с другой. Отметим, что постоянно нарастающий дефицит минерального сырья для производства удобрений, постоянно увеличивающиеся транспортные расходы ставят земледелие в чрезвычайно затруднительное положение ввиду оскудения земель.

Одной из основных проблем освоения ресурсов сапропелей является создание современных рациональных технологий их добычи и переработки. В настоящее время существуют две технологии добычи и первичной переработки сапропелевого ила: с помощью средств гидромеханизации и с использованием механических средств. В первом случае применяются различные землесосные снаряды и агрегаты, во втором - грейферные экскаваторы и шнековые агрегаты. Для обеих технологий характерны следующие существенные недостатки: происходит замутнение воды взвешенным илом в призабойной зоне с распространением облака взвеси на большие расстояния, особенно в проточных озерах; в связи с низкой консистенцией пульпы возникает необходимость непроизводительного перекачивания значительных объемов воды; на береговых территориях необходимо отчуждение больших площадей земли для устройства чеков-отстойников; получение продукта первичной переработки возможно только на следующий год после намыва пульпы в чеки-отстойники; процесс стандартной гидромеханизированной добычи является сезонным, а в случае использования грейферных экскаваторов еще и цикличным.

В связи с этим, наряду с совершенствованием существующих технологий освоения озерных месторождений сапропеля, возникает необходимость созда-

ния принципиально новых, отвечающих современным требованиям к освоению полезных ископаемых, методов добычи.

Необходимость освоения сапропелевых отложений обусловлена также и прогрессирующими процессами заиления озер. В настоящее время некоторые водоемы заилены почти полностью. В результате, многие из них утратили свою роль как источники чистой воды, рыбохозяйственные угодья и места отдыха. Таким образом, разработка донных отложений водоемов определяется не только потребностью в экологически чистом сырье, но и необходимостью его очистки с восстановлением гидрологического режима, обеспечением возможности рыборазведения в очищенных водоемах, использованием прилегающих к ним территорий для рекреационных целей.

В настоящее время в Российской Федерации, обладающей уникальными месторождениями и огромными запасами сапропелевого ила, наиболее целесообразно широкое, на научной основе, развитие новой отрасли промышленности с реальным и весьма результативным выходом на внутренний и, что не менее важно, на внешний рынок [26].

Таким образом, обоснование технически возможной, экологической и экономически целесообразной разработки месторождений озерных сапропелей является актуальной научной задачей в общей проблеме рационального использования природных ресурсов и охраны окружающей среды.

Исследования выполнялись в рамках «Плана научно-исследовательских работ по созданию научных основ и методов повышения эффективности рационального комплексного освоения месторождений полезных ископаемых и охраны недр на 1986-1990 г.г. и на период до 2000 г». (Постановление ГКНТ СССР от 10.03.1986 г и Госплана СССР от 28.03.1987 г) и Федеральной комплексной программы «Повышение плодородия почв России на период 1996-2000 годы».

Цель работы состоит в обосновании рациональности освоения подводных месторождений сапропелей с улучшением экосистемы озер.

Идея работы заключается в предотвращении возникновения экологических проблем при разработке месторождений сапропелей на основе исследования интенсивности процессов загрязнения и создания щадящих технологий добычи.

Методы исследования. Использован комплекс современных методов исследования, включающий обобщение передовых достижений науки и производственного опыта, аналитический, математического моделирования, а также сравнительные технико- и эколого-экономические анализы существующих и предлагаемой технологий добычи сапропеля.

Основные научные положения, защищаемые в диссертации:

1. Особенности свойств и химического состава, а также большие запасы сапропеля в Российской Федерации определяют возможность его широкого и эффективного использования в качестве удобрения в чистом виде или с минеральными добавками, с продолжительностью действия сапропеля при разовом внесении в почвы до 12-ти лет, повышением урожайности пропашных культур в условиях Нечерноземья до 25-30%, снижением суммарных затрат на 30% по сравнению с минеральными удобрениями.

2. Четко выраженные границы подстилающих пород дна озера и отсутствие покрывающих сапропелевую залежь пород обеспечивают возможность малоотходной разработки месторождений, а удаление илистых отложений способствует снижению биогенной нагрузки и улучшению экологического состояния водоема.

3. Мобильная модульно-блочная технология производства обеспечивает круглогодичную и селективную добычу сапропеля естественной влажности, исключает взмучивание воды и позволяет уменьшить или исключить полностью прибрежные земельные отводы для устройства чеков-отстойников.

4. Механические воздействия и структурные изменения донных отложений при извлечении сапропеля земснарядом приводят к частичному уничтожению макрозообентоса, который восстанавливается в районе добычи на 80 % уже через год после окончания работ.

Научная новизна работы:

- доказана экологическая несостоятельность, цикличность и сезонность традиционных экскаваторного и гидромеханизированного способов добычи озерного сапропеля и обоснована модульно-блочная технология извлечения ила, обеспечивающая круглогодичное малоотходное производство и исключающая замутнение воды облаком взвеси и нарушение жизнедеятельности организмов верхней части толщи сапропелевой залежи;

- установлено, что извлечение сапропелевого ила снижает биогенную нагрузку и улучшает экологическое состояние озера, а макрозообентос восстанавливается через год после добычных работ.

Практическая значимость работы:

1.Для илов текучей консистенции предложены рациональные и экологичные мобильная модульно-блочная и скважинная технологии разработки озерных месторождений.

2.Обоснованы эколого-экономические предпосылки рационального использования озерного сапропеля Ленинградской области на основе выявления широкой области его применения в сельском хозяйстве и в различных отраслях промышленности, больших запасов, высокой конкурентоспособности уникального органо-минерального сырья, возможности применения новой экономически эффективной и природосберегающей технологии его добычи и первичной переработки.

3. Разработана методика оценки эффективности инвестиционного проекта на стадии технико-экономического обоснования целесообразности разработки озерных сапропелевых месторождений.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обосновывается представительным объемом проанализированной и обобщенной исходной информации по всем месторождениям озерных сапропелей России, использованием апробированных методов и положений теории разработки подводных месторождений полезных ископаемых, привлечением материалов исследований различных научных институтов и практики извлечения илов отдельными предприятиями, а также внедрением результатов исследований в проектную практику и учебный процесс.

Реализация результатов работы:

1. Основные результаты и рекомендации диссертационной работы одобрены Северо-западным отделением Академии горных наук и используются при выполнении научных исследований по теме «Научное обоснование освоения месторождений шельфа, внутренних водоемов и обводненных месторождений Северо-запада Российской Федерации».

2.Результаты исследования внедрены Гипрорудой в проект разработки месторождения диатомитовых илов в Мурманской области.

3.Разработанные в диссертации рекомендации по освоению месторождений озерных сапропелей по инициативе Министерства природопользования и экологической безопасности переданы в Министерство сельского хозяйства Правительства Ленинградской области для включения в межотраслевую программу «Возрождение и рациональное использование внутренних водоемов Ленинградской области» с финансированием из внебюджетного экологического фонда.

4.Учебное пособие «Экология и технология разработки сапропелевых месторождений», выполненное по материалам диссертационной работы, используется при проведении занятий по курсу «Экология» для студентов горных и экономических специальностей.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на 1-ой и 3-ей Международной конференции «Экология и развитие Северо-запада» (Санкт-Петербург, 1995 и 1998 гг.), Международном Конгрессе и Выставке «Минерально-сырьевые ресурсы стран СНГ» (Санкт-Петербург -1996 г.), на кафедре Экологии, аэрологии и охраны труда Санкт-Петербургского государственного горного института (технического университета).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ, в том числе одно учебное пособие.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 разделов и заключения, изложена на 235 страницах машинописного текста, включая 30 рисунков, 31 таблицу и библиографический список из 111 наименований.

Автор приносит искреннюю благодарность научному руководителю проф. В.Б. Добрецову, развитие идей которого послужило основой для проведения исследования, заведующему кафедрой Экологии,