Аннотация
Обоснована актуальность совершенствования работ по рекультивации неглубоких карьеров. Приведены некоторые результаты исследований на карьерах по добыче песчано-гравийной смеси в Иркутской области с анализом использования земель и количеству потерь полезного ископаемого при добыче. Отмечена тенденция уменьшения производственной мощности горнодобывающих предприятий по добыче стройматериалов и соответственно размеров лицензионных отводов с одновременным увеличением доли бортов в общей площади нарушенных земель. Выявлены недостатки существующих способов выполаживания бортов неглубоких карьеров и предложены новые технологические схемы их рекультивации для разных горнотехнических условий разработки месторождений, позволяющие совмещать вскрышные , добычные и рекультивационные работы, повышать устойчивость сформированных бортов к эрозионным процессам при затоплении выработок, снижать потери полезного ископаемого и землеемкость горных работ.
Ключевые слова: неглубокие карьеры, способы рекультивации бортов, инновационные технические решения.
В настоящее время горными работами в РФ ежегодно нарушается 75-80 тыс. га земель. При этом почти половина из этого количества – это земли, нарушенные при добыче стройматериалов, торфа, а также золота, платины и алмазов из россыпей. Добыча указанных полезных ископаемых осуществляется в основном с использованием неглубоких карьеров. Количество таких карьеров по регионам России исчисляется сотнями и тысячами.
Учитывая небольшую глубину таких карьеров, казалось бы, их рекультивация не должна вызывать особых сложностей. Однако, как показывает практика, большая часть отработанных карьеров остается без должной рекультивации. Во многих случаях это объясняется отсутствием достаточного количества рыхлых отложений, которые могли бы быть использованы при рекультивационных работах. Чаще всего на месторождениях стройматериалов и торфа мощность вскрышных пород на порядок меньше мощности продуктивных отложений, поэтому этих пород в лучшем случае хватает только на выполаживание бортов.
Анализ состояния работ по рекультивации многочисленных карьеров по добыче стройматериалов в Иркутской области показал, что даже рекультивация бортов не осуществляется или выполняется весьма непрофессионально. Вместе с тем невыположенные борта выработок являются местом интенсивной и длительной эрозии.
Кроме того, выполненный нами анализ [1] выявил тенденцию уменьшения площади отдельных карьеров при сохранении (и даже увеличении) общей площади нарушенных земель. То есть, количество карьеров по добыче стройматериалов существенно растет при незначительном увеличении объемов добытого полезного ископаемого. Последнее объясняется не только увеличением количества добывающих предприятий при сокращении их производственной мощности, но и уменьшением площадей лицензионных отводов.
Указанный факт весьма негативно сказывается на восстановлении нарушенных земель, в т.ч. из-за невозможности использования выработанного пространства для складирования пустых пород. Разработка небольших карьеров осуществляется с внешним отвалообразованием. Кроме того, с уменьшением площади карьера одновременно растет и доля работ по рекультивации его бортов. Как показали расчеты по анализируемым карьерам, с уменьшением площади карьера на порядок соотношение его периметра и площади увеличивается в 2,5-3,5 раза. При этом доля площади рекультивированных бортов за счет их выполаживания возрастает до 50% от общей восстановленной площади. То есть, актуальность рекультивации бортов карьеров ежегодно растет (рис. 1). С уменьшением площади лицензионных отводов и соответственно карьеров существенно растут землеемкость горных работ (м2/м3) и эксплуатационные потери полезного ископаемого (в т. ч. в бортах).
В настоящее время наибольшее распространение получили два способа рекультивации бортов неглубоких карьеров, первый из которых заключается в их выполаживании путем среза верхней части борта с укладкой срезанных пород у подножия. Основным недостатком данного способа является расширение площади нарушенных земель. В ряде случаев, когда граница горного и земельного отводов примыкает к верхней бровке борта карьера , этот способ вообще не приемлем.
Второй способ рекультивации бортов заключается в их выполаживании за счет перевалки пород вскрыши, складируемых в процессе разработки на поверхности вдоль контуров карьера. Недостатком этого способа является увеличение площади нарушенных земель за счет внешнего отвалообразования, а также необходимость повторной перевалки пустых пород.
Одним из важных условий снижения негативного воздействия горных работ на земельные ресурсы и повышения эффективности их восстановления являются уменьшение землеемкости и максимальное сокращение периода между добычными и рекультивационными работами. И лучший вариант – это совмещение этих работ с укладкой пород вскрыши в выработанное пространство.
Для осуществления вышеуказанных условий нами предлагается начинать разработку месторождения (например, песчано-гравийной смеси, песка, глины) вдоль контура запасов. После очистки карьерного поля от растительности экскаватор типа драглайн начинает проходку вскрывающей траншеи 2 по периметру месторождения вдоль границы запасов 1 (рис. 2). На первом этапе в начале вскрывающей траншеи 2 формируют выработку с временным размещением вскрышных пород на борту карьера. После выемки полезного ископаемого 4 на подстилающие породы 5 у нерабочего борта 10 производят укладку вскрышных пород 6 с выполаживанием борта 11 в соответствии с требованиями горнотехнической рекультивации в зависимости от принятого направления (водохозяйственное, рекреационное, природоохранное и т.д.). Полезное ископаемое 4 укладывают во временный склад 8 (или сразу в транспортное средство) с последующей вывозкой потребителю.
При большой мощности вскрышных пород вместимость отвала 9 в пределах контура 7 вскрывающей траншеи 2 может быть недостаточной для размещения всего объема пород без подсыпки рабочего борта и полезного ископаемого. В этом случае производят частичную выемку вскрышных пород в пределах контура 7 вскрывающей траншеи 2 с созданием выработки 12 и временным размещением пород во временный отвал 13. Данная операция позволяет выполаживать борт 9 без подсыпки пласта полезного ископаемого 4. В последующем при отработке примыкающей к вскрывающей траншее 2 заходки 3 вместимость отвала в выработанном пространстве возрастает и все вскрышные породы в пределах заходки 3 совместно с временным отвалом 13 складируются на подстилающие породы (дно) и выположенный борт 9.
При разработке многих месторождений полезных ископаемых мощность пустых пород, перекрывающих пласт полезного ископаемого, невелика, поэтому вскрышных пород недостаточно для выполаживания бортов и засыпки выработанного пространства (в том числе месторождения песчано-гравийной смеси, песка, глины; россыпи).
При незначительной мощности вскрышных пород их в пределах контуров 7 вскрывающей траншеи 2 может быть недостаточно для выполаживания борта карьера в соответствии с требованиями горнотехнической рекультивации. В этом случае недостающая часть вскрышных пород доставляется в контур траншеи 2 с площади примыкающих к траншее заходок 3 в центральной части месторождения. При этом за контуром 7 траншеи 2 создают выработку 14, а в контурах траншеи формируют насыпь 15. В последующем при проходке траншеи 2 вскрышные породы 6 совместно с насыпью 15 перекладываются в выработанное пространство с выполаживанием борта 9.
Параметры выработок 12 и 14 устанавливаются расчетом, учитывающим горнотехнические условия залегания месторождения и выбранное направление рекультивации.
При рекультивации удаленных и изолированных от посещения людей выработок выполаживание бортов и откосов целесообразно производить исходя из минимальных требований природозащитного направления.
Нами предлагается повысить устойчивость минимально выположенных бортов к эрозионным процессам и оползанию путем формирования их из более крепких пород, взятых со дна карьера (рис. 3).
В некоторых случаях созданию в выработанном пространстве водоема препятствует незначительная глубина карьера, при которой водоем может промерзать до дна. Последний факт резко затрудняет процесс воссоздания ихтиофауны и ихтиофлоры в этих водоемах из-за их гибели в зимний период. Иногда происходит заболачивание выработанного пространства. В этих условиях углубление выработки позволяет предотвратить промерзание водоема до дна и таким образом обеспечивает более интенсивное развитие его биологической продуктивности.
Подсыпка бортов более крепкими породами, взятыми со дна карьера (песчаники, аргиллиты, сланцы, алевролиты и т.д.), позволяет увеличить устойчивость бортов к эрозионным процессам и обеспечить необходимый отвод излишек воды во время осадков и таяния снега из поверхностных слоев (слой вскрышных пород и почвы), а также подземных вод из водоносного пласта, выполняя роль дренажного устройства и предотвращая оползневые явления.
Данная технология рекультивации позволяет уменьшить объем земляных работ за счет увеличения углов откосов путем подсыпки бортов полускальными породами и сократить землеемкость горных работ.
Выемка подстилающих полезное ископаемое полускальных пород (плотика) производится бульдозерами, при необходимости оборудованными рыхлителями. Подсыпку бортов карьера осуществляют послойно с углом откоса 7-23 º в зависимости от направления рекультивации нарушенных земель.
С целью ускорения самозарастания рекультивированной поверхности полускальные породы, составляющие подсыпку, засыпают слоем вскрышных пород мощностью не менее 0,2-0,4 м, взятых из отвалов, расположенных у кромки бортов. Рыхлые отложения частично заполняют поры полускальных пород подсыпки и тем самым создают устойчивый к эрозии и потенциально плодородный слой пород.
С целью уменьшения объемов работ по подсыпке бортов в случаях создания водоемов в выработанном пространстве подсыпку осуществляют до отметок, соответствующих максимально возможному уровню воды в затопленной выработке (как правило, максимальному естественному уровню грунтовых вод).
Большинство месторождений стройматериалов имеют незначительную мощность вскрышных пород, которые во многих случаях представлены только почвенно-растительным слоем. В таких условиях после отработки запасов даже на неглубоких карьерах вскрышных пород недостаточно для выполаживания бортов. Осуществление выполаживания за счет разноса бортов ведет к дополнительному нарушению прилегающих к карьеру территорий, а выполаживание бортов за счет выемки пород со дна карьера является достаточно трудоемким процессом, так как в большинстве случаев подстилают полезное ископаемое скальные или полускальные породы, которые перед выемкой требуют предварительного рыхления.
В некоторых технических решениях [2] предлагается формировать нерабочие борта карьера при отработке карьерного поля с углами откосов оптимальными для восстановления природного ландшафта (18–22°). Однако при формировании бортов с такими углами откосов за контурами запасов (в большинстве случаев запасы ограничиваются вертикальными контурами) резко увеличивается объем выемки пустых пород и площадь нарушенных земель. При формировании таких бортов в контурах запасов значительно возрастут потери полезного ископаемого.
Как показывает практика, при разработке месторождения стройматериалов борта карьеров формируют с максимально возможным углом, что во-первых, связано с повышенной опасностью работы горного оборудования из-за вероятности обрушения и осыпания откосов, а во-вторых, с дополнительным нарушением земель за пределами контура карьера при выполаживании бортов в процессе рекультивации.
Для повышения эффективности землепользования и снижения затрат на выполаживание бортов при разработке неглубоких карьеров предлагается в процессе отработки полезного ископаемого борта карьера формировать за контурами запасов, а породы, взятые при заоткоске использовать для их выполаживания, при этом угол наклона бортов карьера устанавливать исходя из равенства объема пород, необходимого для выполаживания бортов, и объема пород, взятого за контурами запасов при формировании этих бортов.
С учетом условия равенства пород, взятых при заоткоске и используемых для выполаживания бортов, угол наклона нерабочего борта карьера α устанавливается из следующего выражения:
α = arcctg (ctgβ / (Кр + 1)),
где β – угол откоса выположенного борта карьера, °;
Кр – коэффициент разрыхления пород.
Уменьшение угла откоса бортов при разработке месторождений с 55–70 ° до 42–45 ° в соответствии с предложенным техническим решением позволяет повысить безопасность горных работ и в целом сократить общий объем земляных работ по выемке пород за контурами запасов и рекультивации бортов на 35–40 %. При этом площадь нарушенных земель за контурами запасов уменьшится также на 35–40 %.
На рисунке 4 в качестве примера приведена схема формирования и рекультивации борта неглубокого карьера. Согласно этому варианту после очистки карьерного поля от растительности снимают слой почвы и транспортируют ее на склад 1, расположенный на борту карьера 2. После этого производят вскрышные работы с размещением пород во временные отвалы 3 за контуром карьера на нерабочих бортах. Указанные работы могут выполняться бульдозерами или скреперами. После завершения вскрышных работ производят выемку полезного ископаемого в установленных контурах запасов 4, а затем осуществляют выполаживание бортов с использованием пород, взятых при заоткоске за контурами запасов при формировании борта карьера. Объем пустых пород, взятых при заоткоске (сечение АВС), соответствует объему пород, необходимых для выполаживания бортов (сечение АСД), с учетом коэффициента их разрыхления.
Равенство объемов пород, взятых при заоткоске за контурами запасов (сечение АВС) и необходимых для выполаживания бортов карьера (сечение АСД) устанавливается с учетом обоснованного угла выполаживания β и коэффициента разрыхления пород Кр (см. выше).
После выполаживания бортов на них и дно карьера наносится слой вскрышных пород 5 из отвалов 3. В завершение рекультивации на слой вскрышных пород 5 наносится почва 6, взятая со склада 1.
Предложенные технические решения по рекультивации бортов неглубоких карьеров позволяют уменьшить землеемкость горных работ, сократить сроки возврата используемых земель и снизить затраты на рекультивацию.
Литература
- Тальгамер Б.Л., Семенов М.Е., Коробкова Е.А. Анализ структуры нарушенных карьерами земель в условиях Восточной Сибири // Горный журнал, Изв. ВУЗов, 2012. - №8. – С. 16-20.
- Зеньков И.В. и др. Технологии формирования горнопромышленных ландшафтов в отработанных щебеночных карьерах с учетом экологических целей // Экология и промышленность России, 2014. - №1. – С. 42-46.
Источник: Тальгамер Б.Л. Галайда К.П., Совершенствование способов рекультивации бортов неглубоких карьеров // Рациональное освоение недр. – 2022. – № 3. – С. 38–42.