Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Обоснование технологии отработки и рекультивации месторождений песчано-гравийной смеси в поймах рек

ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Обоснование технологии отработки и рекультивации месторождений песчано-гравийной смеси в поймах рек"

На правах рукописи

Гущенко Виталий Викторович

ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ОТРАБОТКИ И РЕКУЛЬТИВАЦИИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПЕСЧАНО-ГРАВИЙНОЙ СМЕСИ В ПОЙМАХ РЕК

Специальность

25.00.36 - Геоэкология (в горно-перерабатывающей промышленности)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005058651

Иркутск-2013

1 В ИДЯ ¿и13

005058651

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Иркутский государственный технический университет»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор директор Института недропользования ИрГТУ Тальгамер Борис Леонидович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой «Промэкология и безопасность жизнедеятельности» Тимофеева Светлана Семеновна

Ведущая организация

кандидат технических наук, гл. специалист ЗАО «Востсибтранспроект» Шишмарева Екатерина Александровна

Сибирский федеральный университет

Защита состоится » *UCLJ$ 2013 года в « Ю » часов на заседании диссертационного совета Д.212.073.07 при ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет» по адресу: 664074, Иркутск, ул. Лермонтова, 83, корпус К, конференц-зал.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять в адрес диссертационного совета Д 212.073.07, факс: (3952) 40-51-04, e-mail: go_gor@istu.edu

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Иркутского государственного технического университета.

Автореферат разослан » 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор

В.А. Домрачева

Актуальность работы. Интенсивное развитие промышленности начиная со второй половины XX века привело к значительному усилению отрицательного воздействия человека на окружающую среду. Горная промышленность является одной из составляющих такого влияния, которое в основном сводится при открытых горных работах к нарушению природной поверхности карьерами и отвалами. В настоящее время во всем мире отмечается интенсивный рост добычи полезных ископаемых. Особенно высокими темпами развивается добыча песчано-гравийной смеси (ПГС). Так, в 2009 году площадь нарушаемых земель при добыче нерудных строительных материалов в Иркутской области составляла 560 тыс. м2, а в 2012 году эта величина достигла уже 2141 тыс. м2.

Следует отметить, что в отработку вовлекаются месторождения ПГС, расположенные вблизи крупных городов, где находятся и основные потребители этого сырья. То есть нарушается наиболее часто посещаемая людьми пригородная зона.

Ввиду того, что месторождения ПГС чаще всего расположены в поймах рек, после их отработки в выработанном пространстве образуются искусственные водоемы. Хаотично расположенные и не облагороженные техногенные озера изымаются из полезного землепользования и негативно влияют на экологическую и эстетическую обстановку в пригородной зоне. Площади, нарушенные при добыче ПГС, и заболоченные водоемы не привлекают население в качестве мест отдыха. Такая ситуация сложилась из-за того, что существующая технология разработки, во-первых, не учитывает условия будущей рекультивации нарушенных земель и, во-вторых, в настоящее время отсутствуют конкретные требования к восстановленной площади, включающей водоем, береговую зону и прилегающие территории. В первую очередь это касается пригородных территорий.

Как правило, при рекультивации не учитывается уровень грунтовых вод, от которого зависит глубина будущего водоема, экспозиция бортов карьера, рекреационное качество восстанавливаемой площади. Поэтому комплексное решение указанных вопросов является основным направлением в улучшении экологической обстановки в районе добычи ПГС.

Таким образом, изыскание эффективных технологических схем разработки месторождений, позволяющих после их рекультивации создать благоприятные для отдыха людей зоны и сократить срок возврата изъятых земель в пользование, является актуальной задачей.

Цель исследования - изыскание технологии горных работ при освоении месторождений песчано-гравийной смеси, обеспечивающей скорейший возврат изъятых земель в пользование, и создание на восстановленной площади благоприятных условий для отдыха людей.

Идея работы заключается в разработке технологической схемы формирования береговой зоны техногенного водоема с совмещением вскрышных, добычных и рекультивационных работ и регулированием па-

раметров пионерной траншеи с учетом уровня грунтовых вод и мощности рыхлых отложений.

Для реализации поставленной цели в диссертации решались следующие задачи:

- анализ состояния нарушенных земель после отработки месторождений ПГС;

- разработка методики исследования техногенных водоемов и их прибрежной полосы, образованных в выработанном пространстве карьеров;

- анализ процессов самозарастания поверхности с разной экспозицией склонов вблизи техногенных водоемов и обоснование рекомендаций к строению береговой зоны техногенного водоема;

- обоснование порядка отработки месторождений и технологии проходки пионерной траншеи с совмещением вскрышных, добычных и ре-культивационных работ;

- разработка технических условий для рекультивации отработанных карьеров с целью создания благоустроенных техногенных водоемов рекреационного назначения;

- экономическая оценка предлагаемой технологической схемы разработки и рекультивации.

Защищаемые положения:

береговая зона техногенного водоема, создаваемого в выработанном пространстве, должна иметь ломаный безбермовый профиль, формируемый в подводной части под углом 6-8°, а в надводной - от 6-8 до 25° в зависимости от экспозиции склона;

создание благоприятных условий для восстановления растительности в прибортовой части карьера и конструкции береговой зоны, пригодной для отдыха людей, достигается проходкой по периметру участка пибнерной траншеи с управляемыми параметрами и совмещением вскрышных, добычных и рекультивационных работ с распределением пустых пород в выработанном пространстве исходя из уровня грунтовых вод и мощности рыхлых отложений.

Научная новизна работы состоит в следующем:

выявлена зависимость густоты стояния растительности на берегах техногенных водоемов от угла наклона поверхности и экспозиции склонового участка;

разработан рациональный профиль береговой зоны техногенного водоема, обеспечивающий благоприятные условия для восстановления растительного покрова;

установлено влияние уровня грунтовых вод и экспозиции склона на параметры береговой зоны техногенного водоема;

обоснованы параметры береговой зоны техногенного водоема и выемочной траншеи для экскаваторного способа разработки в зависимости от мощностей пустых пород, пласта ПГС и уровня грунтовых вод.

Методы исследования. В работе использован комплексный метод исследований для решения поставленных задач:

- анализ и научное обобщение практического опыта разработки и рекультивации карьеров по добыче строительных материалов;

- визуально-измерительный метод для выявления доминирующих видов растительности вблизи и на берегах техногенных водоемов;

- регрессионный анализ с использованием программного обеспечения Advanced Grapher для обработки результатов, полученных при определении густоты стояния растительности путем подсчета корневищ на единицу площади;

- фотометрический метод для определения фактических геометрических параметров и состояния исследуемого объекта по полученным снимкам с помощью программного обеспечения AutoCAD;

- графоаналитический метод расчета параметров технологической схемы формирования безбермового профиля прибортового отвала.

Личный вклад автора. Автором сформулированы цель и задачи исследований, разработана методология их решения, произведен сбор и анализ информации по существующим способам рекультивации, выполнено научное обоснование принципов совершенствования технологии ведения горных работ при отработке месторождений песчано-гравийной смеси и технических условий рекультивации карьеров.

Достоверность выводов и полученных результатов обеспечивается большим объемом полевых исследований многочисленных объектов, корректностью используемых методик и сходимостью результатов теоретических расчетов с практическими данными.

Практическая значимость работы. Внедрение в производственную деятельность горнодобывающих предприятий технологических схем отработки месторождений ПГС позволит:

создать комфортные зоны отдыха на нарушенных землях и сократить время интеграции отработанных площадей в структуру ландшафта;

увеличить производительность выемочного оборудования и снизить себестоимость добываемого сырья.

Приведенные в работе горнотехнические схемы, установленные аналитические и графические зависимости могут быть использованы при проектировании объектов по добыче ПГС на обводненных месторождениях.

Реализация результатов работы. Результаты настоящего исследования реализованы при разработке учебного пособия «Восстановление земель, нарушенных открытыми горными работами в условиях Восточной Сибири» для студентов высших и средних специальных учебных учрежде-

ний направления подготовки «Горное дело». Технологическая схема, предложенная автором, использована при разработке проектной документации по освоению месторождения ПГС «Мегетское».

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на ежегодных научно-практических конференциях «Игошин-ские чтения», г. Иркутск, ИрГТУ (2008, 2010, 2011 гг.); на «XII международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и преподавателей среднего профессионального образования», г. Чита, Забайкальский горный колледж имени М.И. Агошкова (2012 г.); на кафедре РМПИ НИ ИрГТУ (2011, 2012 гг.); на кафедре ОГР СФУ (г. Красноярск) (2012 г.); на заседании горно-геологической секции НТС ОАО «Иргиред-мет» (2013 г.).

Публикации: Основные положения диссертационной работы отражены в 8 публикациях, включая 2 статьи в научных изданиях, рекомендованных ВАК России.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений. Общий объем работы 147 стр машинописного текста, включая 40 рисунков, 24 таблицы и библиографический список из 105 наименований.

Основное содержание работы

Исследования, выполненные автором, основаны на трудах ученых, внесших значительный вклад в разработку технологических схем рекультивации земель, нарушенных открытыми горными работами: Горлова В.Д., Горкунова В.И., Дороненко Е.П., Коваленко B.C., Новожилова М.Г., Овешникова Ю.М., Полищук А.К., Русского И.И., Сулина Г.А., Томакова П.И., Чемезова В.В., Эскина B.C. и др.

В первой главе произведена оценка состояния нарушенных земель, образованных при отработке месторождений ПГС в пригородной зоне г. Иркутска и п. Шелехов, рассмотрены общие принципы и особенности технологии освоения запасов и рекультивации горных выработок. Сформулированы цель и задачи исследований.

Во второй главе изучены закономерности самозарастания берегов техногенных водоемов, обоснованы углы откосов надводной части береговой зоны в зависимости от ее экспозиции, предложена конструкция береговой зоны техногенных водоемов при их рекреационном назначении.

В третьей главе обоснован порядок отработки месторождений и разработана технология проходки пионерной траншеи с совмещением вскрышных, добычных и рекультивационных работ, что обеспечивает скорейшее восстановление нарушенных земель при снижении затрат.

В четвертой главе обоснованы технические условия рекультивации нарушенных земель с созданием техногенных водоемов рекреационного назначения.

В пятой главе выполнено технико-экономическое сравнение предлагаемой технологической схемы отработки месторождения с традиционной схемой.

В заключении обобщены основные результаты, полученные в работе, сформулированы выводы и рекомендации.

В приложении содержатся данные полевых исследований и результаты проведенных анализов и расчетов.

Защищаемые научные положения

1. Береговая зона техногенного водоема, создаваемого в выработанном пространстве, должна иметь ломаный безбермовый профиль, формируемый в подводной части под углом 6-8 ° а в надводной - от 6-8 до 25 "в зависимости от экспозиции стона.

Начало промышленной добычи песчано-гравийной смеси в пригороде г. Иркутска приходится на 50-60-е гг. С этого момента и до настоящего времени появляются техногенные водоемы в выработанном пространстве в поймах рек Иркут, Ангара, Китой, Куда и др. Искусственные озера характеризуются различными геометрическими параметрами и сроком образования.

Автором были проведены полевые исследования на 45 техногенных озерах. Все изученные водоемы расположены в непосредственной близости к населенным пунктам, поэтому большинство из них люди облюбовали как места отдыха.

На всех исследованных водоемах поверхность берега состоит из двух плоскостей, первая (нижняя) включает подводный пояс и пояс переменного уровня, а вторая (верхняя) - первый и второй надводные пояса. Такое формирование береговой зоны характерно как для ранее рекультивированной поверхности, так и для заброшенных карьеров. Изучение берегов позволило сделать вывод о том, что формирование берегового откоса происходит под воздействием процессов водной эрозии. Фактический угол наклона поверхности подводной части береговой зоны на техногенных водоемах находится в диапазоне 6-8°. В работах Сметанина В.И. и Власова P.E. есть рекомендации к подводной части береговой зоны, угол наклона которого должен быть от 6 до 8° при рекреационном направлении использования водоема.

Для оценки процесса самозарастания берега были проведены измерения густоты стояния растительности в зависимости от его угла наклона и экспозиции склона. Установлено, что на склонах южной, юго-восточной и юго-западной экспозиций преобладает облепиха, а на склоновых участках северной экспозиции произрастает преимущественно ива. Для участков с облепихой характерно отсутствие гумусового слоя почвы, деревья растут на песчаных породах с содержанием гравия до 50 %. Наличие облепихи обусловлено благоприятными агрохимическими свойствами грунтов, сла-

гающих откосы, и увеличенным поступлением солнечного тепла на склоны южной экспозиции в сравнении с другими участками.

Для определения густоты стояния облепихи на берегу водоема проводились измерения с удалением от береговой линии на 3-5 м и максимальной высотой берега до 3 м. По результатам исследований установлена эмпирическая зависимость (1):

Pot. = 4,661 • а - 0,087 ■ а2 - 36,074, (1)

I л

где р^ - густота стояния облепихи, шт/100 м ; а - угол наклона берега техногенного водоема, град. |

Коэффициент детерминации R2 для установленной зависимости равен 0,86. Качественная характеристика связи по шкале Чеддока- высокая.

Применение данной формулы для определения густоты стояния корней облепихи на 100 м2 рекомендуется для южной, юго-восточной и юго-западной экспозиций с углом наклона берега в интервале 15 — 27°.

На рис. 1 показана установленная зависимость густоты стояния облепихи от угла наклона поверхности берега техногенного водоема.

Диапазон угла наклона поверхности (15-27°), отображенный на графике, приведен по данным полевых исследований. Наиболее часто встречаемый угол на изученных участках заключен^ этом интервале.

30т

а. а Є

25

3° і 1 20

І 1

о Є и m

15

104

2 7 і 3 ' ? 1 1І 1 9 t. • 8 у 1

r5 n ( У

1 1' 3 1 1В 1 4' ■б г 8 3 >10 4< г г , . 2 і

/ 2 'В | і і

/ і і

15 16 17 18 19 20 21 22 23 '24 25 26 27 28 29 ЗО

Угол наклона берега а,

град

1 - 13 - количество наблюдений Рис. 1. Зависимость густоты стояния облепихи р0бп от угла наклона

берега а I

Густота стояния ивы, как и облепихи, зависит от угла наклона поверхности и ее положения к странам света. По результатам полевых исследований (рис. 2), для определения густоты стояния ивы выведена эмпирическая формула (2), которая применима для расчета количества корней ивы на единицу площади в диапазоне угла наклона берега от 15 до 28°. За пределами указанного интервала не установлено выраженной зависимости густоты стояния ивы от угла наклона:

р„ =5,557 а -ОД 14 -а2 -42,761, (2)

где р„ - количество корней ивы на 100 м2.

Угол наклона берега а, грай 1 - 9 - количество наблюдений Рис. 2. Зависимость густоты стояния ивы ри от угла наклона берега а На основании выявленных факторов, воздействующих на становление растительности на берегах техногенного водоема, требований ГОСТ 17.5.3.04-83, а также с учетом рекреационного направления использования водоема, рекомендуется:

использовать берег с южной, юго-восточной и юго-западной экспозицией для отдыха людей и формировать угол наклона поверхности не более 6 - 8°;

закладывать угол наклона берега для участков северной, северо-восточной и северо-западной экспозиций от 6 - 8° до 25° при использовании указанных секторов только для создания зеленой зоны. В пользу

этого свидетельствует и тот факт, что участки с перечисленными экспозициями практически не используются людьми как места отдыха.

Так как берег северной экспозиции имеет угол наклона до 25°, а южной и юго-западной - 6° возникает необходимость в создании плавных переходных зон. Они исключат резкие и обрывистые участки. Для этого берег с северо-западной экспозицией используется в качестве переходного, на котором крутизна берега увеличивается с 6 до 25°. Аналогичная ситуация обстоит с участком северо-восточной и юго-восточной экспозиции. В этом случае переходная зона заключена в секторе СЗЮ. Интервал угла, заключенного в данной зоне, 6 - 25°. Для плавного перехода с б до 25° необходимо использовать сектор ЮЗ для интервала с 25 до 15,5°, а сектор СЗ -с 15,5 до 6°.

Для определения угла наклона берега а по периметру водоема построена номограмма (рис. 3).

С

Ю

Рис. 3. Номограмма для определения рекомендуемого угла наклона поверхности выше уровня воды с учетом экспозиции склонов

В практике отработки месторождений ПГС рекультивация производится обычно после полной выемки запасов. При этом во время восстановления поверхности происходит вторичное уничтожение уже образовавшейся на бортах карьера растительности.

Для исключения повторного нарушения земель и сокращения сроков их возврата в пользование разработана схема горных работ, позволяющая решить проблемы, возникающие как в процессе отработки месторождений ПГС, так и при восстановлении техногенных площадей.

Суть предлагаемой технологии заключается в особом порядке выемки запасов и совмещении основных производственных процессов с рекультивацией, в том числе на стадии отработки прибортового пространства.

Из опыта работы горнодобывающих предприятий известно, что наиболее эффективным выемочным оборудованием при внутреннем отва-лообразовании является экскаватор типа драглайн. Кроме того, себестоимость выемки и размещения горной массы по бестранспортной схеме в 2-3 раза ниже по сравнению с другими.

Поэтому осуществить предлагаемую технологическую схему рекомендуется при использовании на выемочных работах драглайна, а также, при необходимости, транспортного оборудования и бульдозера.

Суть разработанной технологии заключается в следующем.

Отработка месторождения начинается с проходки пионерной (вскрывающей) траншеи внутреннего заложения по контуру участка запасов, которая также служит разрезной, по бестранспортной схеме с совмещением вскрышных, добычных и рекультивационных работ при внутреннем отвалообразовании, В ходе работ оставляется целжовый участок, по которому обеспечивается доступ оборудования внутрь карьерного поля. Отработка внутренней части карьера осуществляется продольными, либо поперечными заходками (рис. 5). При таком подвигании фронта работ растительность в прибортовой части карьера, которая не подвергается затоплению, начинает образовываться уже в первый год эксплуатации объекта. Во время проходки пионерной траншеи формируются контуры береговой зоны (внутреннего прибортового отвала) с необходимой конструкцией (с задаваемыми углами, откосов согласно экспозиции склонов) (рис. б).

У77А-2 15553-4

Рис. 5. План-схема разработки месторождения

Для варианта 3 (рис. 8в) объем вскрыши, находящейся в пределах контура 4, недостаточен для формирования прибортового отвала 5 заданной конструкции. В этом варианте недостающая часть вскрышных пород вынимается с площади, примыкающей к траншее в центральной части месторождения. При этом за контуром 4 траншеи создают выработку 7 шириной г.

Для вариантов 2 и 3 ширина выработки по вскрышному горизонту В, определяется по номограмме (рис. 9).

Рис. 9. Номограмма для определения необходимой ширины пионерной траншеи по верху В„

Номограмма составлена на основе зависимостей, установленных автором при графоаналитических исследованиях. При этом учтено влияние уровня грунтовых вод, которое предлагается выразить через коэффициент обводненности рыхлых отложений к0

к0=Н0ДН0+ Н„). (9)

После проходки пионерной траншеи и отработки центральной части запасов с размещением вскрыши в выработанном пространстве требуется выполнить завершающие работы по приданию будущему водоему всех необходимых параметров.

На основании результатов обследования заброшенных карьеров и выполненных исследований предлагаются следующие технические условия к благоустройству техногенных водоемов:

1) отсутствие внешних отвалов. Вся вскрыша должна размещаться в выработанном пространстве;

2) угол наклона берега должен формироваться в соответствии с его экспозицией для ускорения самозарастания и создания комфортных условий для пребывания людей на этом участке;

3) подводный береговой склон необходимо формировать под углом 6-8° до глубины 1,7 м во избежание несчастных случаев с людьми;

4) глубина центральной части техногенного водоема для условий Сибири не должна быть менее 1,7 м.

ции водоема в структуру ландшафта и обеспечить комфортные и безопасные условия для отдыха людей. Кроме того, за счет совмещения вскрышных, добычных и рекультивационных работ ■ удается сократить себестоимость добываемого полезного ископаемого на 25,4 %, что эквивалентно 28,2 руб/м3. Расчет выполнен на примере разработки участок Зуевский-1 месторождения ПГС.

Все вышеизложенное доказывает второе защищаемое положение

Заключение

Диссертационная работа является законченной научно-квалификационной работой, в которой решена задача по изысканию технологии разработки и рекультивации обводненных месторождений ПГС, обеспечивающей сокращение сроков возврата нарушенных территорий и создание техногенных водоемов с благоприятными условиями для их рекреационного использования.

Основные выводы по результатам исследований заключаются в следующем.

1. Дана оценка ситуации, сложившейся в области разработки месторождений ПГС в пригородной зоне. Установлено, что нарушенные территории представляют собой заброшенные неблагоустроенные водоемы, которые практически не используются людьми для отдыха, хотя и располагаются в доступных местах. Кроме того, заброшенные затопленные выработки являются пассивными источниками опасности для людей, а также создают неэстетичный вид пригородной, а в ряде случаев и городской территории.

2. Установлены зависимости густоты стояния растений от угла наклона поверхности с учетом экспозиции склонового участка вблизи техногенных водоемов. Обоснован наиболее приемлемый безбермовый профиль береговой зоны для рекреационного использования водоема.

3. Для снижения негативного воздействия на окружающую среду обоснован порядок и технология отработки карьеров ПГС, которые позволят сократить площади изымаемых из оборота земель и увеличить сроки, отводимые для восстановления растительного покрова при работе по предложенной технологической схеме с подвиганием фронта горных работ от периферии к центру отрабатываемого участка. Это достигается первоочередной отработкой прибортового пространства по всему периметру участка с одновременным формированием береговой зоны необходимой конструкции.

4. Разработана методика расчета параметров пионерной траншеи, при ее проходке драглайном, в зависимости от мощности рыхлых отложений и расположения уровня грунтовых вод, а также предложена технологическая схема работы экскаватора при совмещении вскрышных, добычных и рекультивационных работ.

5. Обоснованы условия технической рекультивации карьеров ПГС, расположенных в пригородных зонах.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Тальгамер Б.Л. Обоснование требований к водоемам, создаваемым при природоохранном направлении рекультивации нарушенных земель и консервации запасов // В.В. Гущенко, Е.А. Коробкова / Проблемы освоения минеральной базы Восточной Сибири : сб. науч. тр.; под ред. проф. Б.Л. Тальгамера. - Изд-во ИрГТУ, 2009. - Вып. 9. - С. 25-28.

2. Гущенко В.В. Анализ состояния работ при водохозяйственном направлении рекультивации карьеров строительных материалов / [Электронный ресурс]: ГО 487. 2010 г. Режим доступа: Мр//\у\уш.тшп£ехро.1и, свободный. - Загл. с экрана.

3. Гущенко В.В. Анализ процесса самозарастания нарушенной поверхности карьеров строительных материалов // Проблемы безопасности природно-технических систем и общества. Современные риски и способы их минимизации. «Безопасность-2010»: материалы и доклады XV Всерос. студ. науч.- прак. конф. с междунар. участием (Иркутск, 21-24 апреля 2010 г.). Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2010. - С. 362-363.

4. Гущенко В.В. Обоснование требований к водохозяйственному направлению рекультивации карьеров песчано-гравийной смеси на примере техногенных водоемов / [Электронный ресурс]: ГО 594. 2012 г. Режим доступа: 1Шр//\у\уш.пишгщехро.ги, свободный. - Загл. с экрана.

5. Гущенко В.В. Добыча песчано-гравийной смеси и рекультивация нарушенных территорий в Иркутском районе / [Электронный ресурс]: ГО 509. 2011т. Режим доступа: ЬКр/М\у\у.гтгпп§ехро.ги, свободный. - Загл. с экрана.

6. Гущенко В.В. Обоснование заложения бортов карьера по добыче строительных материалов //Вестник Иркутского государственного технического университета. - 2012. 7.-С. 86-89.

7. Дудинский Ф.В. Технологии создания устойчивых форм рельефа в прибортовой части карьера/В.В. Гущенко //Вестник Иркутского государственного технического университета. - 2012. -№7.-С. 90-93.

8. Гущенко В.В. Формирование бортов выработки с учетом требований горнотехнической рекультивации // Проблемы освоения минеральной базы Восточной Сибири: - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2012. - Вып №12.-С. 7-17.

Кроме того, получено положительное решение Роспатента от 04.03.2013 г. о выдаче патента на изобретение «Способ разработки пластовых месторождений», №2012106060/03(009237). Авторы: Тальгамер Б.Л., Гущенко В.В.

Подписано в печать 27.03.2013. Формат 60x90 / 16. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Усл. печ. л. 1,5. Тираж 110 экз. Зак. 7к.

Лицензия ИД № 06506 от 26.12.2001 Иркутский государственный технический университет 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Гущенко, Виталий Викторович, Иркутск

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

04201356646

Гущенко Виталий Викторович

ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ОТРАБОТКИ И РЕКУЛЬТИВАЦИИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПЕСЧАНО-ГРАВИЙНОЙ

СМЕСИ В ПОЙМАХ РЕК

Специальность:

25.00.36 - Геоэкология (в горно-перерабатывающей промышленности)

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель докт. тех. наук, проф. Тальгамер Б.Л.

Иркутск 2013

Оглавление

1 Оценка состояние нарушенных земель на карьерах ПГС........................8

1.1 Общие сведения........................................................................................8

1.2 Расположение и рекреационное значение нарушенной территории 10

1.3 Характер нарушений..............................................................................19

1.4 Способы разработки и рекультивации.................................................27

Цель и задачи исследований..........................................................................34

2 Исследование водоемов, образованных в карьерах по добыче песчано-гравийной смеси......................................................................................37

2.1 Характеристика объектов.........................................................................37

2.2 Исследования состояния береговой зоны..............................................41

2.3 Оценка самозарастания берегов..............................................................48

2.4 Изучение гранулометрического состава пород береговой зоны.........54

2.5 Обоснование конструкции береговой зоны искусственного водоема 57 Выводы.............................................................................................................61

3 Обоснование природоохранной технологии горных работ при отработке месторождений ПГС............................................................................63

3.1 Изыскание путей совершенствования технологии отработки месторождений ПГС в пригородных зонах........................................................63

3.2 Основные горнотехнические условия залегания месторождений ПГС, определяющие технологию горных работ................................................64

3.3 Обоснование порядка отработки месторождения.................................67

3.4 Рациональные технологии отработки прибортовой части карьера.....73

Выводы.............................................................................................................78

4 Обоснование технических условий отработки и рекультивации месторождений ПГС, расположенных вблизи населенных пунктов............80

4.1 Анализ нормативных документов по рекультивации нарушенных земель при отработке месторождений ПГС.......................................................80

4.2 Обоснование технических условий на отработку и рекультивацию обводненных месторождений ПГС.....................................................................85

Выводы.............................................................................................................87

5 Технико-экономическое обоснование предлагаемой технологической схемы..........................................................................................................................89

5.1 Методика расчета......................................................................................89

5.2 Определение оптимальных параметров технологической схемы.......95

5.3 Оценка затрат по существующему и предлагаемому вариантам

отработки...............................................................................................................98

Выводы................................................................................................................103

Заключение.........................................................................................................104

Список использованных источников...........................................................106

Актуальность работы. Интенсивное развитие промышленности начиная со второй половины XX века привело к значительному усилению отрицательного воздействия человека на окружающую среду. Горная промышленность является одной из составляющих такого влияния, которое в основном сводится при открытых горных работах к нарушению природной поверхности карьерами и отвалами. В настоящее время во всем мире отмечается интенсивный рост добычи полезных ископаемых. Особенно высокими темпами развивается добыча песчано-гравийной смеси (ПГС). Так, в 2009 году площадь нарушаемых земель при добыче нерудных строительных материл

алов в Иркутской области составляла 560 тыс. м , а в 2012 году эта величина достигла уже 2141 тыс. м .

Следует отметить, что в отработку вовлекаются месторождения ПГС, расположенные вблизи крупных городов, где находятся и основные потребители этого сырья. То есть нарушается наиболее часто посещаемая людьми пригородная зона.

Ввиду того, что месторождения ПГС чаще всего расположены в поймах рек, после их отработки в выработанном пространстве образуются искусственные водоемы. Хаотично расположенные и не облагороженные техногенные озера изымаются из полезного землепользования и негативно влияют на экологическую и эстетическую обстановку в пригородной зоне. Площади, нарушенные при добыче ПГС, и заболоченные водоемы не привлекают население в качестве мест отдыха. Такая ситуация сложилась из-за того, что существующая технология разработки, во-первых, не учитывает условия будущей рекультивации нарушенных земель и, во-вторых, в настоящее время отсутствуют конкретные требования к восстановленной площади, включающей водоем, береговую зону и прилегающие территории. В первую очередь это касается пригородных территорий.

Как правило, при рекультивации не учитывается уровень грунтовых вод, от которого зависит глубина будущего водоема, экспозиция бортов ка-

рьера, рекреационное качество восстанавливаемой площади. Поэтому комплексное решение указанных вопросов является основным направлением в улучшении экологической обстановки в районе добычи ПГС.

Таким образом, изыскание эффективных технологических схем разработки месторождений, позволяющих после их рекультивации создать благоприятные для отдыха людей зоны и сократить срок возврата изъятых земель в пользование, является актуальной задачей.

Цель исследования - изыскание технологии горных работ при освоении месторождений песчано-гравийной смеси, обеспечивающей скорейший возврат изъятых земель в пользование, и создание на восстановленной площади благоприятных условий для отдыха людей.

Идея работы заключается в разработке технологической схемы формирования береговой зоны техногенного водоема с совмещением вскрышных, добычных и рекультивационных работ и регулированием параметров пионерной траншеи с учетом уровня грунтовых вод и мощности рыхлых отложений.

Для реализации поставленной цели в диссертации решались следующие задачи:

- анализ состояния нарушенных земель после отработки месторождений ПГС;

- разработка методики исследования техногенных водоемов и их прибрежной полосы, образованных в выработанном пространстве карьеров;

- анализ процессов самозарастания поверхности с разной экспозицией склонов вблизи техногенных водоемов и обоснование рекомендаций к строению береговой зоны техногенного водоема;

- обоснование порядка отработки месторождений и технологии проходки пионерной траншеи с совмещением вскрышных, добычных и рекультивационных работ;

- разработка технических условий для рекультивации отработанных карьеров с целью создания благоустроенных техногенных водоемов рекреационного назначения;

- экономическая оценка предлагаемой технологической схемы разработки и рекультивации.

Защищаемые положения:

береговая зона техногенного водоема, создаваемого в выработанном пространстве, должна иметь ломаный безбермовый профиль, формируемый в подводной части под углом 6-8°, а в надводной - от 6-8 до 25° в зависимости от экспозиции склона;

создание благоприятных условий для восстановления растительности в прибортовой части карьера и конструкции береговой зоны, пригодной для отдыха людей, достигается проходкой по периметру участка пионерной траншеи с управляемыми параметрами и совмещением вскрышных, добычных и рекультивационных работ с распределением пустых пород в выработанном пространстве исходя из уровня грунтовых вод и мощности рыхлых отложений.

Научная новизна работы состоит в следующем:

выявлена зависимость густоты стояния растительности на берегах техногенных водоемов от угла наклона поверхности и экспозиции склонового участка;

разработан рациональный профиль береговой зоны техногенного водоема, обеспечивающий благоприятные условия для восстановления растительного покрова;

установлено влияние уровня грунтовых вод и экспозиции склона на параметры береговой зоны техногенного водоема;

обоснованы параметры береговой зоны техногенного водоема и выемочной траншеи для экскаваторного способа разработки в зависимости от мощностей пустых пород, пласта ПГС и уровня грунтовых вод.

Методы исследования. В работе использован комплексный метод исследований для решения поставленных задач:

- анализ и научное обобщение практического опыта разработки и рекультивации карьеров по добыче строительных материалов;

- визуально-измерительный метод для выявления доминирующих видов растительности вблизи и на берегах техногенных водоемов;

- регрессионный анализ с использованием программного обеспечения Advanced Grapher для обработки результатов, полученных при определении густоты стояния растительности путем подсчета корневищ на единицу площади;

- фотометрический метод для определения фактических геометрических параметров и состояния исследуемого объекта по полученным снимкам с помощью программного обеспечения AutoCAD;

- графоаналитический метод расчета параметров технологической схемы формирования безбермового профиля прибортового отвала.

Личный вклад автора. Автором сформулированы цель и задачи исследований, разработана методология их решения, произведен сбор и анализ информации по существующим способам рекультивации, выполнено научное обоснование принципов совершенствования технологии ведения горных работ при отработке месторождений песчано-гравийной смеси и технических условий рекультивации карьеров.

Достоверность выводов и полученных результатов обеспечивается большим объемом полевых исследований многочисленных объектов, корректностью используемых методик и сходимостью результатов теоретических расчетов с практическими данными.

Практическая значимость работы. Внедрение в производственную деятельность горнодобывающих предприятий технологических схем отработки месторождений ПГС позволит:

создать комфортные зоны отдыха на нарушенных землях и сократить время интеграции отработанных площадей в структуру ландшафта;

увеличить производительность выемочного оборудования и снизить себестоимость добываемого сырья.

Приведенные в работе горнотехнические схемы, установленные аналитические и графические зависимости могут быть использованы при проектировании объектов по добыче ПГС на обводненных месторождениях.

Реализация результатов работы. Результаты настоящего исследования реализованы при разработке учебного пособия «Восстановление земель, нарушенных открытыми горными работами в условиях Восточной Сибири» для студентов высших и средних специальных учебных учреждений направления подготовки «Горное дело». Технологическая схема, предложенная автором, использована при разработке проектной документации по освоению месторождения ПГС «Мегетское».

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на ежегодных научно-практических конференциях «Игошин-ские чтения», г. Иркутск, ИрГТУ (2008, 2010, 2011 гг.); на «XII международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и преподавателей среднего профессионального образования», г. Чита, Забайкальский горный колледж имени М.И. Агошкова (2012 г.); на кафедре РМПИ НИ ИрГТУ (2011, 2012 гг.); на кафедре ОГР СФУ (г. Красноярск) (2012 г.); на заседании горно-геологической секции НТС ОАО «Иргиредмет» (2013 г.).

Публикации: Основные положения диссертационной работы отражены в 8 публикациях, включая 2 статьи в научных изданиях, рекомендованных ВАК России.

1 Оценка состояние нарушенных земель на карьерах ПГС

1.1 Общие сведения

Начиная с 60-70 - х гг. прошлого столетия горнодобывающая промышленность России начала развиваться быстрыми темпами. Это было вызвано в том числе увеличением спроса на строительные материалы, значительную долю которых составляли песчано-гравийные смеси. Такая динамика сохраняется и в настоящее время.

В таблице 1.1 представлены данные по объемы добычи полезных ископаемых в России [1]. Лидирующие позиции по извлекаемому сырью занимают такие полезные ископаемые, как уголь и строительные нерудные материалы. Из-за больших объемов добычи площадь нарушенных земель для этих полезных ископаемых значительно выше по отношению к другим отраслям. Это объясняется тем, что вертикальный запас пластообразных полезных ископаемых меньше в сравнении с другими видами сырья.

Таблица - 1.1 Объемы добычи полезных ископаемых в России в период с 1992 по 2009 гг. [1]

Полезное ископаемое Год

1992 1995 2000 2004 2005 2006 2007 2008 2009

Уголь, млн т 337 263 258 282 299 310 314 329 298

Топливный торф (условной влажности, млн т) 7,8 4,4 2Д 1,5 1,6 1,4 1,3 0,8 0,9

Сланцы, млн т 3,8 2,4 1,7 1,2 0,2 - 0,6 0,7 0,2

Железная руда (товарная, млн т) 82,1 78,1 86,8 97,1 85,1 102,0 105,0 100,0 92,0

Золото, в % к предыдущему году 93 93 115 100,2 95 99,2 99 110 105,4

Материалы строительные нерудные, млн м3 463 236 190 231 270 318 392 428 265

Соль поваренная, (добыча) млн т 3,6 3,1 зд 2,9 2,7 2,8 2,2 1,8 1,6

При анализе статистических данные о добыче полезных ископаемых в России было выявлено распределение площадей, нарушаемых ежегодно по отраслям, добывающим твердые полезные ископаемые (трем основным),

представленное на диаграмме - рис. 1.1. Диаграмма составлена по данным Государственного доклада «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2007 году» [2,3]. Из диаграммы видно, что промышленность строительных материалов находится на третьем месте с 7 % показателем нарушаемой площади от общей по трем ведущим отраслям. При этом разница с угольной промышленностью составляет 11 %, а с цветной металлургией 68 %. Стоит отметить, что бесспорным «лидером» по нарушаемым землям является отрасль цветной металлургии. В большинстве случаев использование недр для добычи полезного ископаемого в угольной отрасли и цветной металлургии происходит открыто для сторонних наблюдателей.

Годовой объем рекультивации не превышает 3,2 % от уже имеющихся в стране нарушенных земель. Наименьший процент рекультивации отмечается в энергетике, черной металлургии и водохозяйственном и мелиоративном строительстве. По всем отраслям кроме химической и нефтяной промышленности эта цифра существенно ниже одной сотой процента, что говорит о ничтожном объеме проводимых работ по восстановлению нарушенных ранее земель. Рекультивация нарушенных земель в большинстве субъектов Российской Федерации производится на землях, нарушенных в последние годы. Восстановление земель, нарушенных ранее, проблематично из-за отсутствия законодательства, регламентирующего вопросы устранения «прошлого» ущерба (ущерба, причиненного прошлой деятельностью предприятий) [4].

С добычей в промышленности строительных материалов ситуация в корне отличается от описанной выше. Учитывая общедоступность и широкое распространение полезных ископаемых, используемых для производства строительных материалов, добыча таких компонентов из недр и их сбыт активно ведется и на «черном» рынке. Причем при хаотичной и нелегальной отработке месторождений не ведется никакой документации как на отработку участка, так и по учету нарушаемых земель. По неофициальным данным (источники СМИ) доля нелегально добытого сырья составляет от 20 до 40%

от легализованной добычи по России. Иркутская область, в частности Иркутский район, не являются исключением из сложившейся ситуации [5].

1.2 Расположение и рекреационное значение нарушенной территории

Большинство карьеров по добыче песчано-гравийной смеси находятся в пригородной зоне населенных пунктов. Из-за этого из оборота выводятся земли, наиболее востребованные людьми как места отдыха, дачных застроек и т.д. Тем не менее техногенные водоемы, образуемые в выработках, привлекают население для купания и рыбалки. Состояние таких водоемов далеко от совершенства.

Для получения обзорной карты местности, на которой расположены техногенные водоемы, были использованы космические фотоснимки. Ресурсом для их получения стал интернет портал Ьйр/Лушлу.тарБ.уапёех.ги. На рисунке 1.2 отображена ситуация вблизи г. Шелехова (Иркутская обл.) (далее участок № 1). На этой территории находится 19 техногенных водоемов разных размеров. Большая часть искусственных озер используется людьми для купания. Но далеко не все берега удобны для отдыха. Наличие рекультивированных объектов по добыче ПГС в этой местности минимально. На сегодняшний день это 2 водоема (№№ 2,3) из 19.

На участке № 1 для купания и отдыха людьми используется 11 из 19 техногенных водоемов. Остальные 8 имеют заболоченные береговые склоны или крутые берега, неудобные для использования их людьми в качестве мест отдыха. Углы таких берегов варьируют от 30 - 40 до 80°. Еще одна из причин, снижающая степень использования водоемов людьми для отдыха - отсут