ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ В ТЕХНОЛОГИЯХ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ СТРОИТЕЛЬНОГО И ДОРОЖНОГО ЩЕБНЯ

Экономическое развитие РФ обусловливает увеличение темпов гражданского и промышленного строительства, развитие логистической сети, в т.ч. автомобильных и железных дорог. Строительство новых дорог, их текущий и капитальный ремонт предполагают увеличение объема производства дорожного щебня, особенно на территории Сибири и Дальнего Востока, где необходимо в ближайшее время увеличить производство щебня до 25-30 млн т в год. Щебень, применяемый в промышленном и гражданском строительстве, а также при создании транспортных коммуникаций с твердым покрытием, является незаменимым природным материалом и входит в группу общераспространенных полезных ископаемых, разрабатываемых открытым способом.

Гранитный щебень применяется в производстве бетона при строительстве ответственных сооружений плотин ГЭС, взлетно- посадочных полос в авиации, в производстве асфальта и т.п., т.е. на тех объектах, где необходима высокая прочность оснований, фундаментов, стен зданий и сооружений. Щебень известняковый в производстве всех марок бетона не используют, но при сооружении насыпей в дорожном строительстве он служит основным материалом. Рост объемов гражданского строительства, выполнение федеральной программы «Дороги России XXI век» обусловливают масштаб-

ную разработку месторождений как гранита, так и известняков. Красноярскому краю принадлежит особая роль в экономическом развитии РФ. На его территории расположены многочисленные карьеры по производству щебня на месторождениях гранита и известняка. Щебеночные карьеры, как правило, приурочены к местам его потребления.

В 2010-2013 гг. авторами проведены полевые экспедиции по исследованию результатов естественного восстановления локальных экосистем на элементах ландшафтной архитектуры (межуступные площадки, откосы уступов и нерабочих бортов) отработанных карьеров по производству щебня в районе пгт. Зыково Красноярского края. В ходе экспедиций было выявлено полное отсутствие работ по рекультивации в отработанных карьерных выработках. Предварительный анализ состояния горно-промышленных ландшафтов в отработанных карьерных выработках указал на наличие определенных тенденций в появлении и развитии растительных экосистем на нерабочих бортах в зависимости от их географической ориентации (запад, север, восток, юг), схематично представленных на рис. 4.24.

По генезису вовлеченные в разработку месторождения при производстве щебня состоят из основной горной массы примерно одного геологического возраста (известняки) и небольшого объема рыхлых четвертичных осадочных отложений (лессовидные и покровные суглинки, глина), покрывающих известняки. Растительное окружение мест разработки месторождений характеризуется в равной степени видовым составом как лесостепной, так и подтаежной географической зоны. Месторождения известняков и доломитов, как правило, окружены смешанными лесами (береза, сосна, осина), а месторождения гранитов - в основном темнохвойными лесами (ель, пихта, кедр) с небольшой долей березы и осины. Промежуточный ярус в каждом случае - это подлесок из рябины, черемухи

Схемы ориентации нерабочих бортов карьера

Рис. 4.24. Схемы ориентации нерабочих бортов карьера: а - южная экспозиция; б - восточная экспозиция; в - северная экспозиция;

г - западная экспозиция

и т.п. По своим биоэкологическим свойствам представленная растительность весьма не приспособлена для поселения на открытых участках без почвенных слоев, какими являются буквально все элементы нерабочих бортов карьеров. В ходе экспедиций были также установлены участки карьеров с почвенными слоями, намытыми с верхних уступов. Существующее многообразие участков карьера (углы откоса, наклон межуступных площадок, отсутствие/наличие почвенных слоев) учитывалось при проведении мониторинга по выявлению геометрических параметров нерабочих бортов карьеров с наилучшими показателями и оптимальных для поселения и произрастания растительности.

Основой для разработки рекомендаций по ведению открытых горных работ на месторождениях общераспространенных полезных ископаемых при постановке бортов в нерабочее положение послужили результаты горно-экологического мониторинга на территории отработанных карьеров в Красноярском крае. За критерии оценки при формировании экологически приемлемых геометрических параметров карьера приняты временной период появления и плотность пионерной лесной растительности в увязке с действием природных факторов, ускоряющих эти процессы. В итоге порядком формирования карьерной выработки должна быть достигнута главная экологическая цель - поселение и приемлемые темпы роста растительности повсеместно, на всех нерабочих бортах карьера, при этом заранее выполняют экологическую оптимизацию геометрических параметров формы карьерной выемки.

Отметим, что месторождение щебня может быть отработано исходя из классических принципов - углы откоса уступов борта карьера составляют 70-80°, разделяющие уступы горизонтальные, предохранительные площадки имеют ширину 3-5 м (рис. 4.25а). Так, например, при размерах карьера по верху 500x500 м площадь горизонтальной проекции нерабочих бортов составит 9 га, а площадь дна карьера - 16 га.

В своих исследованиях мы установили, что в отработанных карьерах идет образование мертвых водоемов из ливневых вод различной площади, а между ними население близлежащих населенных пунктов устраивает стихийные свалки бытовых отходов (рис. 4.26).

В этой связи предлагаем формировать карьерную выемку с минимальной площадью дна карьера. Принцип трансформации

Конструкция нерабочих бортов карьера

Рис. 4.25. Конструкция нерабочих бортов карьера: а - в применяемых технологиях; б - в технологиях с учетом экологических целей; в - на плане карьера, отработанного по классическим технологиям; г-на плане карьера, отработанного по авторским технологиям

Фрагмент техногенного водоема и свалки ТБО на дне карьера

Рис. 4.26. Фрагмент техногенного водоема и свалки ТБО на дне карьера

«Кускун - Автодор»

геометрических параметров карьера, способствующих ускоренному появлению и адекватному приросту стволовой части деревьев, представлен на рис. 4.256, г. На рисунках показаны три нерабочих борта северной, восточной и южной экспозиций и один борт западной экспозиции, представленный широкими площадками и пологими откосами уступов. Ширина межуступных площадок и углы откосов уступов должны обеспечивать минимально допустимые по технологическим параметрам размеры дна карьера.

Для принятия решения о выборе экологически оптимальной формы карьера летом 2014 г. мы провели очередные полевые экспедиции на территории отработанных карьеров (пгт. Зыково, Красноярский край) по выявлению плотности лесной растительности на нерабочих бортах различной географической ориентации. Типичная картина молодых (10-13 лет) растительных экосистем наглядно представлена на рис. 4.27. Фрагменты нерабочих бортов соответствуют схемам на рис. 4.24.

Далее была составлена выборка из участков по 0,2 га каждый, при этом учтена их географическая ориентация. Внимание было об-

Фрагменты горно-промышленных ландшафтов

Рис. 4.27. Фрагменты горно-промышленных ландшафтов: а - нерабочий борт карьера южной экспозиции; б - то же восточной экспозиции; в - нерабочий борт карьера северной экспозиции; г - то же западной экспозиции

ращено на тот факт, что плотность деревьев меняется в несколько раз в зависимости от ориентации нерабочего борта карьера. Кроме того, на количество деревьев оказывает значимое влияние наличие почвенных слоев, состоящих из смеси гумусосодержащего почвенного слоя и четвертичных отложений (табл. 4.5), что было установлено в ходе полевых экспедиций.

На первый взгляд на рис. 4.256,г показана экологически оптимальная форма карьера, но данная гипотеза требует проверки. С этой целью рассмотрим возможные комбинации географической ориентации нерабочих бортов карьера с учетом накладываемых ограничений в виде смещения дна карьера относительно осей симметрии карьерной выемки (рис. 4.28, 4.30).

Таблица 4.5

Численность взрослых деревьев на элементах нерабочих бортов карьера, ед/га

Элемент нерабочего борта карьера

Географическая ориентация нерабочего борта карьера

Запад

Восток

Север

Юг

Межуступные горизонтальные площадки без почвенного слоя

341

55

313

32

Межуступные площадки без почвенного слоя с уклоном 3-5° в сторону выработанного пространства

293

47

272

25

Межуступные площадки без почвенного слоя с уклоном 3-5° в сторону нерабочего борта

364

69

388

43

Межуступные горизонтальные площадки с почвенным слоем

587

102

533

55

Межуступные площадки с почвенным слоем и уклоном 3-5° в сторону выработанного пространства

562

91

498

41

Межуступные площадки с почвенным слоем и уклоном 3-5° в сторону нерабочего борта

610

117

561

62

Откосы уступов под углом 15-24° без почвенного слоя

387

49

266

24

Откосы уступов под углом 15-24° с почвенным слоем

502

87

434

37

Схемы постановки бортов карьера в нерабочее (финишное) положение с учетом географической ориентации (асимметричное смещение дна карьера)

Рис. 4.28. Схемы постановки бортов карьера в нерабочее (финишное) положение с учетом географической ориентации (асимметричное смещение дна карьера)

Показатели прогнозной оценки формирования локальной растительной экосистемы в карьерной выемке при разработке месторождений строительного и дорожного щебня (асимметричное смещение дна карьера)

Рис. 4.29. Показатели прогнозной оценки формирования локальной растительной экосистемы в карьерной выемке при разработке месторождений строительного и дорожного щебня (асимметричное смещение дна карьера)

Схемы постановки бортов карьера в нерабочее (финишное) положение с учетом географической ориентации (симметричное смещение центра дна карьера)

Рис. 4.30. Схемы постановки бортов карьера в нерабочее (финишное) положение с учетом географической ориентации (симметричное смещение центра дна карьера)

Показатели прогнозной оценки формирования локальной растительной экосистемы в карьерной выемке при разработке месторождений строительного и дорожного щебня при симметричном

Рис. 4.31. Показатели прогнозной оценки формирования локальной растительной экосистемы в карьерной выемке при разработке месторождений строительного и дорожного щебня при симметричном

смещении дна карьера

Форма карьерной выработки выбрана в виде правильного квадрата с размером по верху 500x500 м. Рассчитаем площади элементов нерабочих бортов (горизонтальные/наклонные межуступные площадки, откосы уступов). Дно карьера на всех схемах (рис. 4.28, 4.30) принималось квадратной формы с размерами 50х50 м. Площади нерабочих бортов карьера на представленных экспликациях (рис. 4.28,4.30) даны в табл. 4.6,4.7 соответственно.

Принимая во внимание установленные показатели растительных экосистем на нерабочих бортах различной географической ориентации (табл. 4.5) и расчетные площади этих бортов (табл. 4.6), получим прогнозную картину, представленную на рис. 4.29.

Порядок отработки месторождения щебня может предполагать смещение дна карьера вдоль оси симметрии из двух возможных, ориентированных как в меридианальном, так и широтном направлении (рис. 4.30).

Принимая во внимание установленные показатели растительных экосистем на нерабочих бортах различной географической ориентации (табл. 4.5) и расчетные площади этих бортов (табл. 4.7), получим прогнозную картину, изображенную на рис. 4.31.

Мы достоверно установили, что ускоренное появление древеснокустарниковой и травянистой растительности (через 2-3 года) в отработанных карьерах, высокие годовые темпы ее прироста и уровень продуктивности на уровне природных ландшафтов наблюдаются на откосах уступов всех карьеров с пологими углами их заоткоски, на межуступных площадках с уклоном в сторону нерабочего борта карьера и в значительной степени зависят от обеспеченности растений питательными веществами. Последнее условие выполняется на участках карьера с почвенным слоем с содержанием гумуса в диапазоне 2-5 %, нанесенным искусственно или под действием природных факторов. Кроме того, на плотности произрастания деревьев сказывается географическая ориентация нерабочих бортов.

Отдельно отметим установленную пестроту в тенденциях формирования локальных экосистем в отработанных карьерах, положительные результаты которого неизменно должны выступить ориентиром в создании горно-добывающими предприятиями архитектуры экологически благоприятных горно-промышленных ландшафтов в местах добычи рудного и нерудного сырья открытым способом на всей территории РФ со схожими почвенно-географическими и природно-климатическими характеристиками.

Таблица 4.6

Площадь нерабочих бортов карьера с учетом географической ориентации при асимметричном смещении дна карьера

Географичес- кая ориентация рельефа

Площадь, га

Экспликация А

Экспликация Б

Экспликация В

Экспликация Г

МП

ОУ

МП

ОУ

МП

ОУ

МП

ОУ

Запад

6,0

2,9

2,9

0,6

6,0

2,9

2,9

0,6

Север

6,0

2,9

6,0

2,9

2,9

0,6

2,9

0,6

Восток

2,9

0,6

6,0

2,9

2,9

0,6

6,0

2,9

Юг

2,9

0,6

2,9

0,6

6,0

2,9

6,0

2,9

Дно карьера

0,25

0,25

0,25

0,25

Примечание: в таблице МП - межуступные площадки; ОУ - откосы уступов.

Таблица 4.7

Площадь нерабочих бортов карьера с учетом географической ориентации при симметричном смещении дна карьера

Географичес- кая ориентация рельефа

Площадь, га

Экспликация А

Экспликация Б

Экспликация В

Экспликация Г

МП

ОУ

МП

ОУ

МП

ОУ

МП

ОУ

Запад

0,5

8,4

0,5

3,1

0,5

5,6

0,5

5,6

Север

0,5

5,6

0,5

5,6

0,5

8,4

0,5

3,1

Восток

0,5

зд

0,5

8,4

0,5

5,6

0,5

5,6

Юг

0,5

5,6

0,5

5,6

0,5

3,1

0,5

8,4

Дно карьера

0,25

0,25

0,25

0,25

Примечание: в таблице МП - межуступные площадки; ОУ - откосы уступов.

Итак, на основе системного анализа результатов полевых экспедиций и дистанционного горно-экологического мониторинга установлены закономерности формирования локальных экосистем на участках отработанных карьеров с приемлемыми показателями, которые положены в основу экологической оптимизации геометрической формы карьерной выработки. Экологически оптимальные параметры карьеров должны приниматься во внимание при формировании технического задания на проектирование открытых горных работ на месторождениях общераспространенных полезных ископаемых.

На наш взгляд, дальнейшее движение по существующей траектории в области разработки щебеночных карьеров по технологиям, созданным в 60-70-е гг. прошлого века, каждый раз будет способствовать формированию горно-промышленных ландшафтов с показателями, далекими от значений экологически оптимальных. Но такое положение должно измениться в лучшую сторону, если имеется понимание того, как географически правильно ориентировать нерабочие борта карьера, при которых будут обеспечиваться оптимальные экологические показатели техногенного рельефа. Мы предлагаем лучшие на текущий момент инженерные технологические решения, использование которых позволит в кратчайшие сроки сформировать экологически оптимальные горно-промышленные ландшафты в отработанных карьерных выработках с учетом географической ориентации их нерабочих бортов.

Горно-промышленные ландшафты, близкие к природным, могут быть сформированы на месторождениях по добыче нерудного сырья на территории РФ в географическом секторе между 48° и 60° параллелями северного полушария с континентальным климатом и во всем диапазоне почвенного разнообразия, соответствующего этому сектору. При этом в качестве главных условий для ускоренного формирования локальных экосистем в отработанных карьерах должны быть выполнены следующие технологические требования и регламенты:

  • 1. Углы заоткоски уступов карьера при их постановке в конечное положение независимо от их высоты и количества должны находиться в диапазоне 18-22°.
  • 2. Уступы при формировании нерабочего борта отработанного карьера разделяются межуступными площадками заранее известной ширины, суммарно обеспечивающими минимальные размеры дна карьера, с обратным 3-5-градусным уклоном в сторону нерабочего борта.
  • 3. На все элементы нерабочего борта - откосы уступов, межуступные площадки, дно карьера - наносят техногенную почвенную смесь, приготовленную из почвенных слоев и четвертичных отложений мощностью до 0,3 м.
  • 4. Геометрическая форма карьера должна выбираться из учета максимальной площади бортов северной и западной экспозиций и минимальной площади южной и восточной экспозиций.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >