Источник: Решение геоэкологических и социальных проблем при эксплуатации и закрытии угольных шахт/ В.Ф. Янукович, Н.Я. Азаров, А.Д. Алексеев, А.В. Анциферов, Е.И. Питаленко. – Д.: ТОВ «АЛАН».
Техногенные воздействия на литосферу удобно характеризовать, рассматривая основные понятия, используемые в инженерной геологии и геоэкологии. Техногенное воздействие — техногенное изменение структуры геодинамического комплекса, его компонентов или взаимосвязей между ними. Это может быть изменение каких-либо факторов геологических процессов или условий их протекания. Источник воздействия — любой вид инженерной или хозяйственной деятельности человека. Несмотря на то, что можно рассматривать отдельные виды или источники воздействия, геологическая среда испытывает комплексное воздействие от всех источников, сосредоточенных на данной территории. Результат совместного воздействия нескольких источников может значительно превосходить сумму результатов их одиночных проявлений. В биологии и медицине это свойство систем отражено в понятии синергизм, в системном анализе — эмерджентность.
Интенсивность воздействия зависит от его источника и может изменяться в широких пределах от незначительных, следы которых бесследно исчезают в течение нескольких дней или даже часов, до глобальных, пронизывающих всю планету. Примером последних могут служить мощные ядерные взрьшы, вызывающие колебания горных пород (сейсмические волны), несколько раз проходящие через всю Землю, отражаясь от ее внутренних границ. Сила таких воздействий сопоставима даже с некоторыми эндогенными процессами, такими, как извержения вулканов и землетрясения, правда, далеко не самыми мощными. Реакция геологической среды — процесс возвращения техногенно измененной структуры геодинамического комплекса в равновесное состояние. При этом в случае относительно слабых воздействий, структура геодинамического комплекса может вернуться в исходное состояние подобно тому, как исчезает в прибое след, оставленный на мокром песке. Такое воздействие можно считать обратимым. Для уравновешивания более значительных техногенных нарушений, геодинамический комплекс вынужден изменить свою структуру на большую или меньшую глубину. В этом случае формируется новый природно-техногенный или техногенно измененный геодинамический комплекс.
Область приложения воздействия — воздействие может быть оказано на один или несколько факторов процесса развития геодинамического комплекса на территории, охватывающей большее или меньшее количество его компонентов — геологических процессов, его составляющих. Воздействия подразделяются на прямые, осуществляющиеся непосредственно между обществом и компонентом литосферы, и косвенные, осуществляющиеся через компоненты гидросферы, атмосферы и биосферы. По масштабу воздействия могут иметь локальный, региональный и глобальный уровни. Эта градация условна, выделяемые уровни не имеют четких границ, но отражают результаты и время развития реакции на него.
Время приложения воздействия характеризует продолжительность его оказания. Можно выделить кратковременные воздействия, не превышающие нескольких лет, длительные, сопоставимые со временем жизни человека и сроком реального планирования тех или иных социально-экономических программ, а также постоянные, которые в обозримом будущем могут считаться неизменными. Как и выделение уровней масштаба области приложения воздействий, эти градации условны и также как первые отражают масштабность, время проявления и глубину развития реакции на него.
Различают следующие виды воздействия горного производства на недра:
- проведение горных выработок и извлечение полезных ископаемых,
вмещающих пород;- осушение месторождений и обводнение участков месторождений;
- возгорание полезных ископаемых и вмещающих пород;
- захоронение вредных веществ и отходов производства;
- сброс сточных вод.
Результатами перечисленных видов воздействия являются:
- изменение напряженно-деформированного состояния массива горных пород;
- истощение запасов минеральных ресурсов;
- количественные и качественные потери полезных ископаемых;
- развитие карстовых процессов;
- загрязнение недр.
Изменение напряженно-деформированного состояния массива горных пород вызывает сдвижение массивов горных пород без разрыва их сплошности, с разрывом сплошности или комбинации этих видов сдвижения. Их следствием являются нарушения ландшафта земной поверхности (образование прогибов, провалов), а так же гидрогеологии подземных вод, их дренаж на нижерасположенные горизонты и истощение, образование огромных депрессивных воронок. Истощение запасов минеральных ресурсов. В условиях научно-технической революции добыча и потребление минерального сырья растут быстрыми темпами. Многие промышленные месторождения полезных ископаемых, расположенные на небольших глубинах и в легкодоступных районах уже отработаны. Это указывает на истощение минеральных ресурсов и обуславливает необходимость извлечения полезных ископаемых, которые залегают на больших глубинах в сложных горногеологических условиях, отличаются пониженным содержанием полезных ископаемых, требуют дальних транспортировок добытого минерального сырья и т.д.
Потери полезного ископаемого в процессе его добычи и переработки. Они характеризуют полноту использования недр и способствуют ускоренной отработке минерального сырья. Классификация потерь твердых полезных ископаемых является единой для всех отраслей горнодобывающей промышленности и осуществляется в соответствии с Типовыми методическими указаниями по определению и учету потерь твердых полезных ископаемых при добыче. Потери твердых полезных ископаемых при подземной разработке месторождений разделяют на общешахтные и эксплуатационные. Общешахтные (проектные) потери определяют по двум направлениям:
- потери по горногеологическим и гидрогеологическим условиям в зонах тектонических нарушений, закарстованных участках, участках с балансовыми запасами угля, на площади которых распространены некондиционные запасы, потери из-за сложности контуров залежи, в обводненной части залежи и т.д.;
- потери в различного рода охранных и барьерных целиках, которые оставляют в недрах (около капитальных горных выработок, скважин, под зданиями, техническими и хозяйственными сооружениями, водоемами, водоносными горизонтами, коммуникациями, заповедными зонами; между шахтными полями) после погашения горизонта, участка или ликвидации горнодобывающего предприятия и безвозвратно теряют. Они исчисляются в весовых единицах и в процентах от общих балансовых запасов шахты.
К эксплуатационным относятся потери при добыче полезного ископаемого. Они исчисляются в весовых единицах и в процентах по отношению к погашенным балансовым запасам угля или руды. Эксплуатационные потери делят на два вида:
- количественные потери (потери полезного ископаемого);
- качественные потери (разубоживание), или потери полезного компонента.
Появление потерь обоих видов зависит от объективных и субъективных факторов. К объективным относят, прежде всего, геологические особенности местности (например, чем больше мощность пластов и проще их форма, тем меньше количественные потери и разубоживание); к субъективным - прежде всего выбор способа добычи полезного ископаемого и системы его разработки с учетом горногеологических особенностей месторождения, условий и характера его залегания. Оба вида потерь рассчитывают, исходя из объективных условий.
Количественные потери полезных ископаемых классифицируют в зависимости от физического состояния теряемого полезного ископаемого и стадии технологического процесса добычи, на которой эти потери возникли, и делят на две группы:
- потери неотбитого полезного ископаемого (часть балансовых запасов, которая не извлечена из недр при разработке месторождения); - потери отбитого полезного ископаемого (часть балансовых запасов, которая добыта, но отправлена в породные отвалы, оставлена в местах погрузки, разгрузки, складирования, сортировки, утеряна в процессе транспортировки). Потери отбитого полезного ископаемого происходят: в подготовительных и очистных забоях при совместной выемке и смешивании с вмещающими породами; в выработанном пространстве от смешивания с обрушенными породами на почве, на уступах, в закладке, а также в местах погрузки, складирования, сортировки и на транспортных путях предприятия; в местах обрушения, в завалах, в пожароопасных и затопленных участках. Качественные потери полезного ископаемого - это количество полезного компонента в потерянном полезном ископаемом. Снижение качества полезного ископаемого называется разубоживанием. Оно характеризуется привнесением в добываемую горную массу чуждых вредных компонентов из вмещающих пород, увеличением ее влажности, уменьшением содержания основного полезного компонента. Причины такого явления заключаются в попадании пустых пород в очистные забои; несоответствии применяемой техники и технологии ведения горных работ горно-геологическим условиям месторождения; склонности полезного ископаемого к набуханию; разрыхлении горной массы.
Определение величины и учет потерь и разубоживания полезного ископаемого при добыче ведут главным образом с целью выявления мест сверхнормативных потерь, причин образования последних и разработки конкретных мероприятий по их уменьшению, а также для решения вопросов, связанных с извлечением ранее потерянных запасов полезного ископаемого при повторной разработке месторождения (участка). В связи с этим необходимо, прежде всего, на основе глубокого изучения геологических условий применяемых систем разработки с учетом экономического ущерба правильно определить размер неизбежных потерь. Иными словами следует установить их рациональный уровень (нормативные потери) с соответствующим технико-экономическим обоснованием.
Горнодобывающие предприятия оценивают полноту извлечения, использования полезных ископаемых, а также величину их потерь с помощью следующих основных учетных коэффициентов, значения которых установлены. Организации, ведущие проектирование и строительство горнодобывающих предприятий, а также разработку месторождений полезных ископаемых, обязаны включать в технические проекты отработки месторождений, блоков, панелей, других выемочных единиц расчеты экономически целесообразных значений показателей извлечения и потерь полезных ископаемых, контролировать полноту и качество извлечения твердых полезных ископаемых из недр при добыче. Обязательными условиями для оперативного и правильного определения показателей полноты и качества извлечений, а также потерь полезных ископаемых при добыче являются достоверность подсчета готовых к выемке запасов и организация на предприятии точного учета количества и качества добываемого полезного ископаемого раздельно по каждому участку, блоку, лаве, забою. Карстовые процессы в массиве горных пород. Эти процессы развиваются и интенсифицируются вследствие осушения месторождения, которое возникает из-за нарушения гидрогеологических условий при подземной разработке полезных ископаемых. Выщелачивание легкорастворимых пород (карбонатов, сульфатов и др;) приводит к образованию пустот. В таких полостях накапливается большое количество подземных вод, представляющих опасность при разработке месторождений. В результате карстовых процессов имеет место усложнение формы тел полезных ископаемых, уменьшение их запасов, возможно мульдообразное погружение угольных, соляных пластов, тем самым затрудняется эффективное использование механизированных средств добычи ископаемого. Кроме того, карстовые явления снижает несущую способность кровли подземных выработок. Загрязнение недр происходит, в основном, при захоронении в них отходов промышленного производства. Для захоронения используются горные выработки шахт и рудников, специально образованные (искусственные) полости, гидрогеологические структуры (поглощающие водоносные горизонты), в которые через скважины глубиной 300 - 3000 м нагнетаются жидкие отходы и т.д. В поглощающие горизонты удаляют сточные воды нефтеперерабатывающей промышленности, жидкие отходы повышенной токсичности, рассолы деминерализационных установок, засоленные сточные воды, а также радиоактивные отходы. При этом возникает проблема надежности захоронения отходов, которая осложняется выделением теплоты при хранении отходов, и невозможностью прямого наблюдения за состоянием хранилища.
- консервативный; - как объектов настоящего или будущего использования. Целью консервативной защиты является сохранение определенной части недр в неизменном состоянии. При этом имеется в виду: - охрана участков недр при возведении подземных инженерных сооружений для хранения каких-либо запасов, захоронения вредных отходов производства; - охрана участков недр, представляющих особую научную и культурную ценность (геологические памятники); - охрана месторождений полезных ископаемых от возможной порчи, застройки, затопления водохранилищами при строительстве гидроэлектростанций и других сооружений еще до проектирования горнодобывающих предприятий. Целью защиты недр, как объектов настоящего или будущего использования, является рациональное использование и охрана недр. Именно этому виду защиты недр уделяется наибольшее внимание в его правовом регулировании и деятельности государственных органов.
Под рациональным использованием и охраной недр при разработке месторождения понимается обеспечение рационального использования земной коры путем: наиболее полного извлечения содержащихся в ней полезных ископаемых; комплексного использования минеральных ресурсов (КИМР). Из этого определения следует, что помимо полноты извлечения полезных ископаемых из недр, второй составляющей общей проблемы рационального использования и охраны недр, которой отводится особая роль, является КИМР (комплексное использование минеральных ресурсов). Самостоятельными и равноценными частями проблемы КИМР являются: - комплексное использование месторождений полезных ископаемых; - комплексное использование минерального сырья. Комплексное использование месторождений предусматривает не только получение целевого продукта, но и тех полезных компонентов, которые могут находиться в составе вмещающих пород, то есть в смежных стратиграфических горизонтах или геологических телах, затрагиваемых горными работами. Все полезные элементы должны осваиваться совокупно путем селективной, раздельной добычи, отправки потребителю или же временного складирования в специальные отвалы. Например, для угольных месторождений характерно наличие таких полезных компонентов, как вода и метан. КИМР включает как задачи извлечения всех компонентов (редких и рассеянных элементов, солей, отдельных гранулометрических фракций, остаточных полиминеральных продуктов и т.д.), так и использование самой агрегатно-мииеральной основы полезных ископаемых, отходов производства, то есть превращение их в полезную продукцию. В перечне задач второй части КИМР важное место отводится использованию отходов. Актуальность решения этой задачи вытекает из следующих общих положений.
В процессе хозяйственной деятельности общество производит различные вещества, которые с использованием как возобновимых, так и невозобновимых ресурсов можно разделить на четыре типа: - исходные вещества (сырье); - промежуточные вещества (возникающие или используемые в процессе производства); - конечный (целевой) продукт; - побочный продукт (отход).
Отходы возникают на всех стадиях получения конечного продукта, а любой конечный продукт после потребления или использования отходом, поэтому его можно назвать отложенным отходом. Все отходы попадают в окружающую среду и включаются в биогеохимический круговорот веществ в биосфере. Многие химические продукты включаются в биогеохимический круговорот в масштабах, намного превышающих естественный круговорот. Некоторые вещества, направляемые в окружающую среду, раньше отсутствовали в биосфере (например, хлофторуглероды, пластмассы, плутоний и т.д.), поэтому естественные процессы достаточно длительное время ассимилируют их. Следствием этого является огромный вред наносимый живым организмам. В процессе производства горных работ (в частности, угледобычи) образуется огромное количество отходов, или в соответствии с принятой терминологией -попутно добываемых (сопутствующих) продуктов. К ним относятся, например, метан, шахтные воды, пустая порода, а также теплота горного массива. С учетом изложенного, важное место в концепции КИМР отводится использованию (утилизации) попутно добываемых продуктов угледобычи. В настоящее время это направление приобретает все более самостоятельное значение в проблеме КИМР. Следовательно, рациональное использование и охрану недр необходимо рассматривать в качестве концепции научно обоснованного использования земной коры, минеральных ресурсов литосферы и гидросферы. В нее входит большой и сложный комплекс научно-технических, производственных, экономических и социальных проблем, решаемых в различных отраслях народного хозяйства.
Рациональное использование и охрана недр при эксплуатации месторождений Целями рационального использования и охраны недр в период эксплуатации месторождений твердых полезных ископаемых, в частности угля, является решение двух главных проблем: 1) обеспечение предусмотренной проектом экономически целесообразной полноты и комплексности разработки месторождения, а также максимальное использование вскрышных или вмещающих пород; 2) предотвращение сверхнормативных эксплуатационных потерь и разубоживания полезных ископаемых. Кроме того, требуют решения проблемы предотвращения подземных пожаров, затопления выработок и др. Из поставленных целей следует, что рациональное использование и охрана недр не ограничивает добычу минерального сырья, как это зачастую делается в отношении живой природы (ограничения ловли рыбы, отстрела животных и т.д.). Напротив, рациональное использование и охрана недр - это, прежде всего, обеспечение полноты выемки запасов минеральных ресурсов. Последняя задача встаёт перед человеческим обществом в связи с перспективой истощения минеральных ресурсов.
Для достижения поставленных целей, прежде всего, необходимо: - определять и учитывать величину извлечения и потерь полезного ископаемого при добыче (это осуществляют в целях контроля соблюдения проектных и нормативных показателей полноты и качества отработки запасов); - совершенствовать технологию процессов добычи и переработки на инновационной основе и технико-экономических расчетах. С учетом этих положений рассмотрим алгоритм проведения добычных (очистных) работ, обеспечивающий рациональное использование и охрану недр. Добычные (очистные) работы должны производиться в строгом соответствии с проектом разработки выемочной единицы и планом развития горных работ, а применяемые при добычных работах выемочные механизмы и комплексы соответствовать параметрам разрабатьшаемых тел (пластов, залежей) полезных ископаемых. Количество готовых к выемке запасов полезных ископаемых, их качество, нормативы эксплуатационных потерь и разубоживания следует определять по выемочным единицам, шахтам. При этом число одновременно находящихся на предприятии в эксплуатации выемочных единиц должно обеспечивать: - стабильное выполнение заданий; - отработку различных по качеству запасов полезных ископаемых в соотношениях, обеспечивающих наиболее полное и комплексное извлечение полезных ископаемых из недр и получение минерального сырья заданного качества; - концентрацию горных работ. Запрещается ввод в эксплуатацию дополнительных выемочных единиц с целью выборочной отработки богатых или легкодоступных участков месторождения полезных ископаемых, приводящей к необоснованным потерям полезных ископаемых или к снижению ценности остающихся балансовых запасов.
балансовые запасы полезных ископаемых при условии, что это не ведет к выборочной отработке других, более богатых участков месторождения или дополнительным потерям полезных ископаемых. После завершения отработки выемочной единицы оформляется акт на ее погашение. Если предполагается добыча многокомпонентных полезных ископаемых, то оценка полноты и качества их извлечения производится как по основному, так и по попутным компонентам, имеющим промышленное значение. При этом определение показателей извлечения полезных ископаемых из недр, потерь и разубоживания производится на основе первичного учета раздельно по способам и системам разработки, выемочным единицам и в соответствии с требованиями Типовых методических указаний по определению, нормированию, учету и экономической оценке потерь полезных ископаемых при добыче. Выше показано, что сверхнормативные потери и сверхнормативное разубоживание определяются как разность между фактическими и нормативными значениями потерь и разубоживания по выемочным единицам. Предприятие обязано выявлять места и причины образования сверхнормативных потерь и сверхнормативного разубоживания, разрабатывать и осуществлять мероприятия по их недопущению в дальнейшем. В силу того, что потребителями недр, в основном являются предприятия горнодобывающей промышленности, повышение эффективности использования недр, а также обеспечение охраны недр зависят, прежде всего, от правильного ведения работ этими предприятиями. Предприятия обязаны постоянно осуществлять меры по: - совершенствованию методов доразведки и эксплуатационной разведки, технологий разработки месторождений, методов контроля качества полезных ископаемых в недрах и добытого минерального сырья; - внедрению прогрессивной новой техники; - вовлечению в отработку забалансовых запасов, а также запасов локальных участков месторождения, ранее оставленных в недрах или неотрабатываемых по принятой на данном месторождении технологии. Дополнительно при подземной разработке месторождений целесообразно, кроме того, рассматривать: возможность замены целиков полезных ископаемых породными изолирующими зонами; - целесообразность выемки запасов полезных ископаемых из участков, где потушены пожары; - возможность выемки запасов из подготовительных и барьерных целиков, надобность в которых миновала; - применение закладки выработанного пространства для более полной отработки месторождений остродефицитных и полезных ископаемых; - организация тщательной зачистки почвы выработок; - меры по очистке дренажных и шахтных вод.
Для обеспечения рационального использования и охраны недр, важным является определение, учет и контроль добычи. Поэтому при подземной разработке месторождений для учета добычи полезного ископаемого обязательно применение взвешивающих устройств. Кроме изложенного, каждым предприятием по добыче полезных ископаемых должна рассматриваться возможность: - выемки запасов полезных ископаемых, ранее оставленных при разработке месторождения или отдельных его участков; - выемки закладки, содержащей полезные компоненты; - выемки участков забалансовых запасов, находящихся в зоне погашенных балансовых запасов; - выемки полезных ископаемых, оставленных в выработанном пространстве, при системах разработки с обрушением полезного ископаемою и вметающих пород: - извлечение полезных ископаемых из отвалов вмещающих и вскрышных пород. Такие работы должны осуществляться по специальному проекту, составленному проектной организацией и утвержденному вышестоящей организацией по согласованию с органами Госгортехнадзора. Проект должен содержать: - технико-экономическую оценку выемки запасов полезных ископаемых; - методику и технологию подготовительных и очистных робот в увязке с основными горными работами предприятия; - мероприятия по безопасному ведению горных работ. Как показывает практика, существенное улучшение показателей полноты и качества извлечения полезных ископаемых может достигаться путем экономического стимулирования. На основании Типовых методических указаний по опенке экономических последствий потерь полезных ископаемых при разработке месторождений разработана отраслевая инструкция. В ней подробно изложены порядок и методы расчета экономических последствий.