Геоэкологические проблемы разведки и разработки месторождений полезных ископаемых

Размещено на http://www.allbest.ru/

Геоэкологические проблемы разведки и разработки месторождений полезных ископаемых

Содержание

1. Основные проблемы, связанные с проведением геологоразведочных работ

2. Факторы отрицательного воздействия геологоразведочных работ на окружающую среду

3. Ближайшие перспективы развития горного дела

4. Влияние горной промышленности на литосферу

5. Влияние горной промышленности на атмосферу

6. Влияние горной промышленности на гидросферу

7. Механизмы загрязнения и заражения окружающей среды

8. Специфика воздействия химических элементов на живые организмы и растения

9. Рекультивация нарушенных земель

Список литературы

1. Основные проблемы, связанные с проведением геологоразведочных работ

С точки зрения планирования жизнедеятельности существует два основных подхода к охране окружающей среды: с точки зрения опасности и ресурсов. Иными словами, человек должен учитывать потенциальные опасности, связанные с разведкой и переработкой полезных ископаемых, и с другой стороны, бережно относиться к ресурсам, разбираться в естественных процессах и жить в пределах ограничений, обусловленных этими процессами.

В связи с этим, природоохранная практика развивается по двум направлениям: 1) охрана природных ресурсов от хищнической эксплуатации и 2) ограничение выброса загрязняющих веществ в окружающую среду.

Характерной особенностью системы природопользования в любых странах является то, что уровень загрязнения окружающей среды в них тесно связан с общим уровнем промышленного развития. На начальных этапах промышленного развития уровень загрязнения почти не ощутим, и общество не считает необходимым осуществлять мероприятия по охране окружающей среды. Однако, с ростом валового национального продукта, уровень загрязнения постепенно растет, и, в конце концов, повышается на столько, что общество перестает с этим мириться и вынуждено направлять часть валового национального продукта на природоохранные мероприятия. Как следствие этого, уровень загрязнения окружающей среды быстро снижается. При благоприятном развитии общества и сбалансированной законодательной системы этот уровень удается удерживать на протяжении достаточно длительного периода.

Однако, мировая практика показывает, что долгое время сдерживать потребление природных ресурсов одними только законодательными актами не получается, поскольку постоянно развивающийся производственный процесс требует все большего потребления этих ресурсов.

Для урегулирования сложившейся ситуации важно четко представлять весь комплекс проблем, связанных с деятельностью горнодобывающих и горно-перерабатывающих предприятий, среди которых наиболее значимыми являются:

1. Истощение минерально-сырьевых ресурсов;

2. Отчуждение плодородных пахотных земель для нужд горнодобывающего производства;

3. Нарушение природных ландшафтов (что определяет необходимость проведения рекультивационных мероприятий);

4. Загрязняющее воздействие на окружающую среду, при проведении геологоразведочных и горных работ;

5. Загрязнение окружающей среды в результате переработки, транспортировки и использовании полезных ископаемых промышленными предприятиями.

Анализ последних десятилетий указывает на ускоряющиеся темпы индустриализации мировой экономики, обусловливаемые ростом населения и необходимостью удовлетворения растущих потребностей при существенном увеличении энергоемкости и материалоемкости современного производства. Причем последнее базируется на экстенсивном освоении земель и все увеличивающемся совокупном объеме добываемого сырья.

Каждый год мировая промышленность в целях удовлетворения материальных потребностей общества изымает из недр Земли, а также берет у растений и животных 10-11 млрд. т вещества. Из них около 5 млрд. т - химическое топливо (продукты окисления которого выбрасываются в атмосферу). Конечная продукция промышленности в виде металлов, пластмасс, текстиля, цемента, древесины и много другого составляет 2 млрд. т. Следовательно, остальные 8-9 млрд. т веществ представляют собой отходы, как правило, загрязняющие окружающую среду [13].

В результате отвода земель для строительства и горных разработок человечество за исторически обозримое время вывело из сельскохозяйственного оборота около 2 млрд. га территории, и её совокупная пашня составляет теперь лишь 1.5 млрд. га или 0,3-0,4 га на каждого жителя планеты [1].

Добыча полезных ископаемых открытым или подземным способом, как правило, сопровождается образованием, с одной стороны, пустот и выемок (способствующим возникновению оползневых явлений и проседанию поверхности), а с другой - формированием колоссальных отвалов «пустых» пород. В условиях развития современной горной промышленности, когда в мире ежегодно добываются миллиарды кубических метров горной массы, нас повсюду окружают преимущественно нестабильные ландшафты. Причем, существующая тенденция к увеличению глубины горных выработок и вовлечение в разработку месторождений с низким содержанием полезного компонента, только усугубляет эти процессы.

Все сказанное выше, так или иначе, связано с изменением поверхности Земли, её морфологи, рельефа и формированием новых техногенных ландшафтов.

Добыча и переработка полезных ископаемых оказывает негативное воздействие на атмосферу, гидросферу и биосферу. Наряду с загрязнением окружающей среды твердыми веществами, ежегодно предприятиями горной промышленности выбрасывается около 400 млн. т техногенных окислов серы, азота, углерода, а также взвешенных частиц и аэрозолей. Причем почти 90 % источников этих выбросов расположено в северном полушарии. В результате этого отмечается увеличение кислотности атмосферных осадков, а также кислотность вод в водоемах и реках, нарушается экологическое равновесие в природе.

Сотворенная человеком техносфера поглощает кислорода почти в 15 раз больше, чем все человечество, что отрицательно сказывается на некоторых биохимических природных явлениях. Кислород необходим для получения большинства видов энергии, возникающей при сгорании топлива. В результате ежедневно из атмосферы изымается около 20 млрд. т кислорода, что позволяет ежесекундно получать энергию, равную 6 • 1019 эрг. Причем эта цифра имеет тенденцию к экспоненциальному увеличению. При таких темпах, через каких-нибудь 100 лет мировое производство энергии может сравняться с величиной, равной 1 % потока солнечной энергии, что естественным образом скажется на тепловом режиме Земли.

Следует также отметить, что до недавнего времени человечество в вопросах охраны окружающей среды проявляло своеобразную инертность. Сталкиваясь с тем или иным отклонением от нормы, человек фиксировал его, анализировал, дожидался, когда оно приведет к какому-то ущербу, и лишь после этого, часто ценой больших усилий, начинал заниматься ликвидацией этого отклонения или уменьшением его влияния.

Однако в последнее время в обществе наметились реальные положительные сдвиги в развитии не стихийно-потребительских, а научно обоснованных отношений к природе. Не малая заслуга в этом принадлежит геоэкологии - науке занимающейся изучением взаимоотношений между живыми организмами (прежде всего человеком) и геологической средой, возникающими в процессе разведки, добычи и переработки месторождений полезных ископаемых.

В соответствии с существующими научными разработками в сфере сохранения окружающей среды принято выделять ряд особенностей, связанных с геологоразведочной деятельностью. Одной из таких особенностей является временный характер существования горного производства: при истощении месторождений полезных ископаемых горные работы прекращаются. В связи с этим в целях сведения к минимуму ущерба, наносимого окружающей среде, проектирование и производство горных работ должны вестись так, чтобы формируемые при этом новые техногенные ландшафты (выемки, отвалы, шахты и штольни) могли в последующем с максимальным эффектом использоваться для других народнохозяйственных целей. Такое активное улучшение ландшафтов с приданием им заранее спланированного вида является ванным условием снижения вредного воздействия на окружающую среду.

Другой особенностью является генеральный принцип экономического развития промышленных районов, выдвинутый в последнее время в ряде прогрессивных стран: необходимо соблюдать приоритет интересов горного дела по отношению к другим видам экономической деятельности в данном регионе. В противном случае, созданные промышленные предприятия, города или поселки могут в последующем оказаться в пределах рудных полей и горных отводов, что в свою очередь потребует применения особо сложных и дорогостоящих технических решений по извлечению полезных ископаемых из-под сооружений, переноса строений на другой участок, либо полного отказа от добычи сырья. Возможна и обратная ситуация, когда населенные пункты с развитой инфраструктурой окажутся очень далеко от месторождений, что потребует создания новых инженерных сооружений и дополнительных линий коммуникации. Отрицательное влияние и той и другой ситуации на геологическую среду трудно переоценить. Поэтому тщательная геологическая разведка месторождений полезных ископаемых в районах их проявления и приоритетное развитие в них горной промышленности являются важнейшими задачами в общем решен проблемы сохранения окружающей среды.

Наконец, третьей особенностью охраны окружающей среды является использование четких количественных критериев допустимых нарушений окружающей среды, не оказывающих вредного воздействия на общую экологию района. Введение таких критериев позволяет более обоснованно защищать окружающую среду от различного рода вредного воздействия.

В качестве примера можно привести некоторые количественные критерии по охране атмосферы (табл. 1).

рекультивация горный заражение организм

Таблица 1. Предельно допустимая концентрация основных вредных примесей в воздухе на уровне дыхания

№ п/п	Основные вредные примеси	ПДК, мг/м3
1	Пыль разовая	0,5
2	Пыль среднесуточная	0,15
3	Сернистый газ	0,5
4	Окись углерода	3,0
5	Двуокись азота	0,085
6	Сажа	0,15
7	Сероводород	0,008
8	Сероуглерод	0,03
9	Фенол	0,01
10	Хлор	0,1
11	Фтористый водород	0,02
12	SO2 + NO2	Менее 1
13	SO2 + HF	Менее 1

Таким образом, тщательный и всесторонний учет количественных и качественных показателей воздействия горных работ на окружающую среду позволит снизить его вредное проявление до минимума.

2. Факторы отрицательного воздействия геологоразведочных работ на окружающую среду

Для выполнения планомерной работы по снижению негативного влияния геологоразведочных работ на окружающую среду необходимо произвести классификацию факторов такого отрицательного воздействия. Однако, следует признать, что подобной единой классификации до сих пор еще не разработано. Ряд авторов [1,4] предлагают отталкиваться от видов нарушений, связанных с деятельностью геологических производств, другие [6] пытаются дифференцировать имеющиеся негативные последствия по признаку воздействия на конкретную среду обитания (атмосферу, гидросферу, верхнюю часть литосферы, биосферу); третьи [13] предпочитают устанавливать причинно-следственные связи и комплексно решать возникающие проблемы. Ниже мы приводим один из вариантов такой классификации, которая может быть принята специалистами на вооружение (таблица 2).

Таблица 2. Факторы отрицательного воздействия геологоразведочных работ на окружающую среду

Причины, вызывающие нарушения окружающей среды	Характерные виды нарушений
Геомеханические
Отсыпка отвалов, строительство карьеров, сооружение отстойных прудов, разнообразных насыпей и траншей. Деформации поверхности в результате разработки месторождений. Монтажные работы, воздействие тяжелого оборудования и т.п.	Изменение рельефа местности, геологической структуры горного массива, грунтов и самой почвы. Механические повреждения почвы. Уничтожение почвы и создание биологически стерильных территорий. Изменение структуры использования поверхности. Повреждение строительных объектов и инженерных сооружений
Гидрологические
Дренирующее воздействие подземных и открытых горных выработок на окружающий породный массив. Деформация поверхности в связи с дренажом подземных вод. Отсыпка отвалов, строительство карьеров, сооружение отстойных прудов, разнообразных насыпей и траншей. Смещение русел водотоков, сооружение водоемов, водных перепадов и других гидротехнических объектов. Загрязнение вод. Откачка подземных вод для различных целей. Дренаж месторождений.	Изменения уровня подземных вод и их движения, а также гидрографической сети. Ухудшение качества вод неглубоко залегающих водоносных горизонтов, инженерно-геологических констант подпочвенных грунтов, водного режима в почве. Уменьшение запасов подземных вод. Увеличение суффозии и механического уплотнения грунтов (оседание поверхности). Изменение морфодинамического режима рек. Возникновение пойм
Химические
Эмиссия газов и химически активной пыли. Сбросы загрязненных вод. Воздействие токсичных компонентов, находящихся в отвалах и хвостохранилищах	Изменение состава и свойств атмосферного воздуха, вод (подкисление, засоление, загрязнение), почв (подкисление, алкализация, засоление, увеличение фитотоксических элементов, другие типы загрязнений)
Физико-механические
Эмиссия пыли и аэрозолей. Сбросы вод, загрязненных суспензией и гидрозолями	Изменения состава и свойств атмосферного воздуха и вод. Кольматация русел водотоков. Изменения свойств почвы
Термические
Загрязнение воздуха. Сбросы подогретых вод. Нагнетание подогретых вод в горный массив.	Изменение состава и свойств атмосферного воздуха, а также биохимических процессов в воде. Изменение микроклимата.

Подобная классификация позволяет проследить причинно-следственные связи в процессе загрязнения окружающей среды, что в свою очередь обеспечивает формирование четкой стратегии и тактики её защиты от вредных воздействий, выделяя первоочередные объекты защиты и те методы, с помощью которых возможно достижение максимального положительного эффекта.

3. Ближайшие перспективы развития горного дела

Для обеспечения безопасности горного производства и наиболее эффективного использования средств экологической защиты необходимо четко представлять себе перспективы развития геологоразведочных работ на ближайшее время.

При этом следует иметь в виду, что прогнозируемое развитие горного дела характеризуется принципиально новыми тенденциями и направлениями, которые должны быть учтены в процессе разработки мероприятий по охране окружающей среды. Основные из них следующие:

Вовлечение в эксплуатацию все более бедных месторождений
полезных ископаемых и вследствие этого увеличение объемов добычи; концентрация горных предприятий в районах дешевой рабочей силы со сравнительно низкой плотностью населения, где загрязнение окружающей среды не ограничивает ведение горных работ. Эта тенденция диктует необходимость развития горной промышленности главным образом в слабонаселенных районах Восточной Сибири и Дальнего Востока, при ее ограничении в густонаселенных районах европейской части России.

Замещение отрабатываемых источников минерального сырья
новыми источниками не только с соблюдением развитых принципов
максимизации прибыли, но и принципа предпочтительности вовлечения в эксплуатацию месторождений с более благоприятными при
родными условиями по отношению к менее благоприятным при
максимальном использовании добываемого сырья. В условиях бурного научно-технического прогресса реализация этого принципа
весьма положительно сказывается на экономике любой страны.

3.Увеличение глубины открытых и подземных горных работ, что ставит перед горной наукой и техникой принципиально новые задачи по обеспечению устойчивости бортов карьеров, предупреждению горных ударов, проветриванию горных работ, поддержанию выработанного пространства и транспортировке горной массы.

Конструирование и использование горных машин с дистанционным управлением и автономным приводом с использованием главным образом экологически чистых машин с гидро- и электроприводом.

Проведение при производстве горных работ во все возрастающих объемах мероприятий по охране внешней среды от загрязнения, шума, иссушения и нарушений земной поверхности. Все большее значение придается таким горным работам, при которых рекультивируемая поверхность активно преобразуется.

6. Реализация наиболее рациональных и экономически выгодных принципов общей застройки и эксплуатации поверхности, создание замкнутых систем водоснабжения, энергообеспечения, строительства транспортных коммуникаций, линий связи и т. д. с учетом экономики региона, интересов национальных или международных экономических объединений.

Следует иметь в виду, что основная трудность, с которой все чаще сталкиваются геологоразведчики -- это необходимость нахождения «слепых» рудных тел. В ближайшей перспективе - преодоление сложностей разведки дна мирового океана.

В тоже время, анализ стоимости разведочных работ показывает, что сейчас около 77% затрат приходится на детальную разведку месторождений, 12% -- на предварительные стадии поисков и оценки и 11% -- на изучение геологии и гидрогеологии месторождений и регионов. В будущем, наряду с общим повышением затрат на геологоразведочные работы, ожидается повышение доли затрат на изучение инженерной геологии и гидрогеологии (в целях более полного использования недр и сохранения гидродинамических режимов), а также на поиски и оценку, обеспечивающие своевременное решение проблем замещения отрабатываемых сырьевых ресурсов.

В связи с этим, основными направлениями научно-технического прогресса в области геологоразведочных работ следует считать:

разработку и активное внедрение в практику дистанционных методов, средств и приборов позволяющих обнаруживать скрытые месторождения полезных ископаемых, в том числе воздушная и космическая разведка;

совершенствование существующей и создание новой техники
для бурения разведочных скважин;

разработку новых технологий и способов добычи и обогащения минерального сырья из месторождений с низким содержанием полезного компонента;

изучение и комплексное использование техногенных месторождений и отходов производства;

дальнейшее развитие геохимических методов поисков по первичным и вторичным ареолам рассеяния, с применением математических методов анализа и обработки информации, а также использованием ГИС-технологий для составления геологических разрезов и прогнозно-металлогенических карт;

широкое внедрение в горнодобываюшую и перерабатывающую промышленность современных нанотехнологий, позволяющих использовать нетрадиционные источники энергии и получать принципиально новые материалы.

7)изучение подземных геологических структур с целью захоронения в них биологически вредных отходов производства.

В настоящее время ведущее место в мировой добыче минерального сырья занимают открытые горные работы. Их удельный вес составляет около 60%, в том числе 57% в добыче руд различных металлов, 34% -- угля и 97% строительных материалов [13].

Обеспечивая, по сравнению с подземными работами, в 3--7 раз более высокую производительность труда и в 2--3 раза меньшую себестоимость добычи, открытые горные работы, тем не менее, требуют значительных капиталовложений в мероприятия по охране окружающей среды. К тому же, помимо фактора истощения приповерхностных месторождений, следует принимать во внимание огромные земельные площади, отчуждаемые под разработку и размещение отвалов пустых пород.

Поэтому, в ближайшей перспективе будет отмечаться рост удельного веса подземных разработок, что в свою очередь заставит решать ряд конкретных задач, связанных с безопасной и эффективной добычей полезных ископаемых с глубоких горизонтов. Среди них наиболее актуальными представляются следующие задачи:

1. Решение проблемы управления горным давлением на больших глубинах, предупреждение горных ударов, улучшение климатических условий труда.

2. Повышение уровня комплексной механизации подземных горных работ до 95%, частичную автоматизацию производственных процессов и переход на программное дистанционное управление горными машинами и комплексами.

3. Изыскание условий ведения горных работ и их организация при повышенной температуре и влажности.

4. Освоение месторождений в ранее недоступных районах земного шара -- на Крайнем Севере, в Арктике и Антарктике, в пустынях Азии, Африки и Австралии, что связано с преодолением ряда трудностей использования в этих районах трудовых ресурсов и решением проблем охраны окружающей среды.

5. Организация разработки месторождений континентального шельфа, дна морей и океанов, что потребует решения специфических вопросов поддержания горных выработок, их вентиляции и охраны окружающей среды.

6.Выполнение некоторых процессов переработки (грохочения, дробления, измельчения и обогащения руд и углей) непосредственно в подземных выработках рудников и шахт с выдачей готовых концентратов на поверхность по трубопроводам, при одновременном захоронении отходов производства в выработанное пространство.

Следует иметь в виду, что тенденция к переносу процессов обогащения руд и углей в подземные выработки определяет необходимость отрабатывать месторождения снизу вверх с закладкой отработанных участков пустыми породами, забалансовыми рудами или хвостами обогащения. При таком порядке отработки месторождений улучшатся горнотехнические условия на рабочих горизонтах и повысится общая эффективность разработки.

Наряду с пустыми породами и песком в качестве закладочного материала целесообразно использовать забалансовые руды, хвосты обогащения, отходы металлургических и химических производств, тепловых электростанций, что способствует улучшению состояния земной поверхности. Кроме того, с отходами в недра возвращаются, пусть и в незначительных количествах, ценные металлы, потерянные в процессе очистных работ. В результате выщелачивания такой закладки можно извлекать значительную часть содержащихся в ней металлов, таким образом повышая общее извлечение минерального сырья из недр.

В связи с тенденцией повышения уровня механизации и коэффициента использования машин в ряде стран признано целесообразным создание малосерийных или одиночных горных машин для механизации производства в нетипичных горно-геологических условиях.

Кроме того, электрификация рудников, внедрение электрифицированного гидропривода создаст оптимальные условия к внедрению дистанционного управления горными машинами. Использование на подземных горных работах некоторых технических средств, заимствованных из практики открытых горных работ: рыхлителей, стругов, бульдозеров, безрельсового транспорта, в том числе вертикального и горизонтального гидротранспорта, позволит повысить производительность труда и сократить срок окупаемости оборудования.

Из геотехнологических методов эксплуатации недр наибольший интерес представляет метод подземного выщелачивания руд, применение которого способствует положительному решению вопросов охраны окружающей среды.

Таким образом, суммируя отмеченные тенденции развития подземных горных работ, можно так охарактеризовать рудник (или шахту) будущего. Это должно быть предприятие, отличающееся высокой производительностью труда, с преобладанием автоматизированных и полуавтоматизированных комплексов, позволяющих осуществлять предельно высокое использование недр, комплексную переработку сырья и безупречную охрана внешней среды. При этом предполагается сокращение до минимума числа трудящихся подземной группы, создание безопасных и комфортных условий труда; использование самонастраивающихся горных машин по принципу обратной связи с параметрами разрабатываемого забоя.

В связи с интенсивным развитием традиционных и освоением новых способов разработки земных недр возникают принципиально новые проблемы охраны окружающей среды. Эффективность их решения во многом будет зависеть от знания учеными, проектировщиками, эксплуатационниками различных аспектов геомеханики, литогии, экономики, технологии горных работ, гидрологии, умелого и своевременного использования этих знаний при освоении новых богатств земных недр.

4. Влияние горной промышленности на литосферу

Как уже отмечалось, к основным нарушениям окружающей среды, возникающим в процессе ведения горных работ, относятся: нарушения поверхности земли в связи с изъятием из недр полезных ископаемых; ухудшение гидрологических режимов в пределах горных отводов и в примыкающих к ним районах; изменение ландшафтов и создание неудобств местным жителям.

Существование любого предприятия немыслимо без определенного минимума земельной территории. Кроме площадей, требуемых для строительства поверхностных комплексов и рабочих поселков, для функционирования горных предприятий необходимы крупные земельные участки, в пределах которых находятся месторождения полезных ископаемых -- горные отводы. Часто это громадные территории с ценными землями, с эффективно эксплуатируемыми старыми застройками, с развитой инфраструктурой или используемые в сельском хозяйстве.

В соответствии с действующим законодательством из общенационального земельного фонда для нужд горной промышленности может отчуждаться часть площади, которая до этого использовалась в сельском или лесном хозяйстве. При этом, однако, следует иметь в виду, что владение горными предприятиями горными отводами носит исключительно временный характер: по окончании разработки месторождения полезных ископаемых земельная территория после рекультивации должна быть передана для её традиционного использования (если проектом развития территории иная форма использования данного участка земли не предусмотрена).

В США больше половины отчуждаемых земель приходится на карьеры (около 59% всех земель, отведенных под горные работы), 20% - на карьерные отвалы, 13 % - на хвостохранилища обогатительных фабрик, 5 % - отвалы подземных горных предприятий и 3 % превращены в неудобные земли вследствие проседания и провалов земной поверхности [13]. Аналогичная ситуация отмечается и в нашей стране. Ежегодно горными работами нарушается около 50 000 га земель, из которых отвод земель только предприятиями, добывающими уголь открытым способом, составляет более 18 тыс. га.

С другой стороны, извлечение твердых полезных ископаемых из недр открытым и подземным способом вызывает нарушение поверхности над отработанными площадями и формирование в районе горных работ породных отвалов и отвалов забалансовых руд.

Эти факторы напрямую связаны со степенью рационального использования земных недр, которая определяется двумя важнейшими параметрами: потерями при добыче и разубоживание полезного ископаемого. Так потери угля при подземной добыче составляют более 30%. На открытых рудниках - 10%. При добыче вольфрам-молибденовых руд подземным способом достигают 10-12%, а при открытом - 3-5% [15]. Необходимость компенсации экономического ущерба от потерь полезных ископаемых приводит к строительству новых предприятий с отторжением новых земель и ухудшению экологической обстановки.

Не менее важным условием общего оздоровления окружающей среды является снижение разубоживания полезных ископаемых, т.е. их обеднение в результате смешивания с пустыми породами при добыче и транспортировке, что увеличивает количество обогащаемого материала (а следовательно и твердых отходов обогащения) в среднем на 20-25%.

Экономические расчеты показывают, что каждый процент снижения потерь при добыче дает снижение себестоимости готовой продукции на 5%, а разубоживания - на 2%, тогда как повышение производительности труда на 1 % обеспечивает снижение стоимости конечной продукции лишь на 0,2%.

При разработке месторождений открытым способом в аридных районах много внимания приходится уделять стабилизации отвалов, предохранению их от интенсивного развеивания, а также предотвращению оползневых явлений. В районах же с многолетней мерзлотой нарушение почвенного покрова влечет за собой быстрое развитие весьма нежелательного термокарстового процесса.

Отрицательным фактором влияния открытого способа разработки на окружающую среду является также изменение гидрогеологии прилегающих к карьерам территорий. Борьба с водопритоками из вскрытых и залегающих ниже водоносных горизонтов приводит к развитию больших депрессионных воронок, в пределах которых из-за обезвоживания существенно изменяется или даже деградирует видовой состав растительности. Нарушение структуры почвы ускоряет развитие эрозионных процессов на территориях, прилегающих к карьерам, вызывая побочные нарушения земной поверхности далеко от их контуров. Сформировавшаяся депрессионная воронка провоцирует оседание грунтов с образованием на поверхности мульд проседания, часто заполняемых дождевыми и талыми водами.

Разработка месторождений полезных ископаемых подземным способом, требуя существенно меньших территорий под горный отвод, не вызывает столь значительных нарушений и изменений ландшафтов и инфраструктуры, как открытые горные работы. Однако и здесь имеются свои проблемы. Сопутствующие подземным разработкам изменения окружающей среды связаны главным образом с сдвижением массивов налегающих горных пород. Обычны два вида сдвижения подработанных массивов горных пород плавное, без разрыва сплошности и интенсивное, с разрывом сплошности; возможны комбинации этих видов сдвижения (рис. 1). При плавном сдвижении массива горных пород, которое наблюдается при разработке осадочных пластовых месторождений с малыми углами падения, образуются мульды проседания земной поверхности на больших площадях с глубиной распространения до горизонтов очистных работ. Сдвижение налегающих пород с разрывом их сплошности, которому свойственны внезапность и быстрота протекания, ведет к возникновению на земной поверхности разнообразных провалов.

Любые виды сдвижений подработанных массивов горных пород вносят в окружающую среду в принципе те же изменения, что и открытые горные работы. Это, в первую очередь, -- нарушение ландшафта и гидрологии подземных вод. Подрабатываемые площади земли на долгое время исключаются из сельскохозяйственного оборота. Поверхность земли, подвергшаяся деформациям, может быть подтоплена, и тогда требуется осушение ненарушенных горными работами водоносных участков и т. д.

Сдвижение горных пород иногда может сопровождаться самовозгоранием полезных ископаемых и вмещающих пород: углей, углистых сланцев, сульфидных руд, пиритизированных пород. Эндогенные пожары, охватывая обширные площади или большие массивы пород, затрудняют эксплуатацию месторождений, снижая экономическую эффективность разработки, усугубляя процессы обрушения налегающих пород и изменения ландшафтов, загрязняя атмосферу газообразными продуктами горения.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Характерные виды сдвижения массивов горных пород при подземной разработке месторождений полезных ископаемых:

а -- плавное, без нарушения сплошности налегающих пород;

б -- блоками, с нарушением сплошности налегающих пород;

в -- с обрушением и разрывом сплошности налегающих пород

Второй основной фактор, вызывающий нежелательные изменения в ландшафте, связан с необходимостью отсыпки выдаваемых на поверхность пустых пород. Не покрытые растительностью породные отвалы, отвалы бедных руд, занимающие большие площади гидроотвалы обычно вносят негативный диссонанс в ландшафт, но главное, -- занимают большие площади пригодных для сельского хозяйства земель, нанося значительный ущерб окружающей природе. Недействующие отвалы, если их не обезопасить полностью, могут стать источниками несчастных случаев и даже катастроф: быстрое перемещение больших объемов пород отвалов может разрушить расположенные вблизи здания, сооружения, дороги и т. п.

Печален в этом отношении случай из практики угольной промышленности Великобритании. Неправильная отсыпка конических отвалов привела 21 октября 1966 г. к гигантской катастрофе в Эйберфенсе (Южный Уэльс): на шахте «Мертир Вэйл» № 7 внезапно сползли переувлажненные породы отвалов, в результате чего погибло 144 человека.

Разработка месторождений подземным способом без деформации подрабатываемых пород пока невозможна. Однако если системам разработки с обрушением налегающих пород свойственны максимальные деформации и применением этих систем окружающей среде наносится наибольший ущерб, то системы разработки с закладкой выработанного пространства обеспечивают минимальные деформации пород и, следовательно, их влияние на окружающую среду ничтожно. Поэтому совершенно очевидна эффективность применения систем разработки с закладкой выработанного пространства, обеспечивающей наименьшие подвижки подрабатываемого горного массива.

5. Влияние горной промышленности на атмосферу

Осуществляя разработку недр, человек вновь приводит недра, содержащиеся в них газы и воду к контакту с земной атмосферой. Метан и другие углеводороды, образовавшиеся в погребенных породах миллионы лет назад, выделяются в атмосферу при разработке месторождений угля, нефти и газа, а также некоторых рудных месторождений, что связано с присутствием в самих месторождениях или окружающих их породах газоносных формаций.

При разработке месторождений полезных ископаемых в атмосферу могут выделяться и другие газы: сернистый газ, углекислота, окись углерода, сероводород, водород, азот, гелий, радон и др. Общее их количество в земной атмосфере незначительно (исключая азот), однако в масштабе отдельных предприятий могут возникать различные аномалии, влекущие за собой негативные последствия.

Предприятия горной промышленности можно также упрекнуть в том, что они поставляют потребителям недоброкачественное сырье (например, уголь, сланцы и нефть с высоким содержанием серы, руды с вредными примесями), использование которого сильно загрязняет атмосферу.

Вызываемое человеческой деятельностью загрязнение земной атмосферы на 90% представлено газами и на 10% -- аэрозолями. Эти источники загрязнения сконцентрированы в отдельных промышленных районах, в основном в странах северного полушария.

По продолжительности нахождения загрязняющих веществ в атмосфере их можно разделить на две группы: 1) с непродолжительным временем пребывания в атмосфере, которые, как правило, концентрируются в пределах сравнительно небольших районов; 2) находящиеся в атмосфере длительное время, которые распространяются над обширными территориями (табл. 3).

В стратосфере загрязняющие вещества держатся в течение несравненно более продолжительного времени, чем в тропосфере. В приповерхностном слое атмосферы концентрация этих веществ зависит от погоды, высоты местности, формы рельефа, времени суток и других факторов. Находящиеся в атмосфере загрязняющие вещества подвергается фотолизу и окислению, вступают в химические реакции между собой.

Загрязнение атмосферы горными предприятиями с традиционными способами разработки зависит от геологической природы вмещающих месторождение формаций и от специфики ведения горных работ. Природные факторы определяют в основном газовую загрязненность, производственные как газовую, так и пыле-аэрозольную загрязненность.

Таблица 3. Продолжительность пребывания некоторых загрязняющих веществ в атмосфере

№ п/п	Элемент или соединение	Химическая формула	Среднее время пребывания в атмосфере
1	Диоксид углерода	CO2	До 10 лет
2	Метан	CH4	4-7 лет
3	Оксид углерода	CO	4-6 месяцев
4	Диоксид азота	NO2	8-11 суток
5	Оксид азота	NO	9 суток
6	Аммиак	NH3	5-6 суток
7	Диоксид серы	SO2	2-4 дня
8	Сероводород	H2S	От 12 часов до 4 суток

Основными загрязнителями атмосферы газами являются угольная, нефтяная и газовая отрасли промышленности. Предприятия по добыче и переработке нефти и газа загрязняют воздух углеводородами главным образом в период разведки месторождении (в нефтяной промышленности -- также во время эксплуатации, когда попутный газ сжигается в факелах). Предприятия по добыче и переработке угля загрязняют атмосферу метаном, в гораздо меньшей степени -- углекислотой.

Загрязнение воздуха газами при ведении горных работ в значительной степени обусловлено применением взрывчатых веществ для отбойки руды (угля) и пород. За год при взрывных работах в атмосферу выделяется около 8 млн. т газов. Однако относительное значение этой величины весьма мало по сравнению с естественным газовыделением на шахтах (рудниках). Кроме того, основные компоненты газов взрыва -- соединения инертные, не оказывающие вредного влияния на окружающую среду.

Общеизвестно, каким мощным, по существу глобальным загрязнителем атмосферы является автотранспорт. На подземных работах, где приходится действовать в весьма стесненных условиях, обострилась проблема локальной борьбы с выхлопными газами.

Кроме того, при разработке месторождений газы образуются и при самовозгорании угля, руд и вмещающих пород. Особую проблему создают самовозгорающиеся конусовидные отвалы горных пород (терриконы), содержащие органическое вещество или сульфиды различных металлов, которые, вступая во взаимодействие с кислородом, провоцируют возникновение экзотермических реакций с температурами в центре очага возгорания до 1400оС.

Вынос в атмосферу мельчайших минеральных частиц -- пыли в свободном состоянии и в виде аэрозолей как вид загрязнения воздуха характеризуется тем, что минеральные частицы загрязняют воздушное пространство главным образом вблизи предприятий и на непродолжительное время. Как правило, пыль оседает на почву, на поверхность водоемов, здания, сооружения и растительность и, таким образом, является загрязнителем окружающей среды. Опасность в этом случае тем более велика, что в почве и в водоемах непрерывно накапливаются вплоть до недопустимых концентраций вредные металлы или минералы.

Наиболее обильное пылеобразование происходит на горных предприятиях, разрабатывающих месторождения открытым способом (карьерах, разрезах, каменоломнях), особенно в засушливых и ветреных районах.

По немногим публикациям [2,5,8,22], освещающим вопросы загрязнения атмосферы рудниками (шахтами), обогатительными фабриками и металлургическими заводами, можно констатировать, что основная масса пыли выбрасывается в атмосферу рудоперерабатывающими предприятиями.

Так, на территории рудного пояса юго-восточной части штата Миссури (США) содержание металлов, вынесенных в атмосферу с пылью при добыче и переработке руды, а затем сконцентрированных в верхнем слое почвы толщиной до 25 мм, составило: свинца -- 147,4--276,2 мг, цинка -- 40,7--95,1 мг, меди -- 6,7--17,1 мг и кадмия -- до 2,3 г на 1 м3 почвы. В Уэльсе выявлены участки, почвы которых загрязнены цинком, свинцом, кадмием и медью. Содержание их на загрязненных участках выше, чем в нормальных почвах: свинца в 90, цинка в 31, кадмия в 15 и меди в 2,1 раза [6].

Из приведенных данных следует, что проблему предотвращения загрязнения земной атмосферы предприятиями горной промышленности наиболее целесообразно решать на нижней ступени производства, т. е. непосредственно в среде, окружающей горнорабочих в конкретных условиях каждого предприятия: от обеспечения трудящимся безопасных и комфортных условий труда до их полного вывода из забоев.

6. Влияние горной промышленности на гидросферу

Почти любое проникновение человека в земные недра связано с необходимостью постоянной откачки подземных вод -- рудничных, дренажных, артезианских. В результате этого породные массивы в пределах влияния горных работ или систем скважин осушаются, понижается зеркало грунтовых вод, иссякают источники, снижается дебит водотоков или они вовсе исчезают, ухудшается структура грунтов, проседает земная поверхность, резко снижаются урожаи сельскохозяйственных культур, и, наконец, обедняется или исчезает ранее активно действовавшая в районе, экологическая система.

Отдельные рудники и шахты обычно откачивают из земных недр тысячи или десятки тысяч, а горные предприятия бассейнов сотни тысяч или миллионы м3 воды в сутки. Так, например, откачка подземных вод, подтоплявших карьеры КМА, привела к истощению водоносных горизонтов и нарушила водоснабжение нескольких городов и многих сел и деревень в округе. Это случилось потому, что при проектировании рудников КМА весьма важной считалась задача осушения, она и решалась. А то, что последует за осушением, проектировщики в расчет не принимали.

Вообще практика разработки пластовых месторождений показывает, что радиус депрессионного влияния действующей шахты (рудника) в течение нескольких лет достигает 10 км и более. В отдельных случаях контур депрессионной воронки может пересечь область питания, даже реку или озеро. Кроме того, как уже отмечалось, откачка подземных вод (также нефти и газа), как правило, сопровождается деформациями земной поверхности, в большинстве случаев ее оседанием.

В отличие от загрязнения атмосферы, загрязнение водоемов в результате ведения горных работ характеризуется более значительным уровнем. Горные предприятия выносят на земную поверхность из недр целую гамму загрязняющих веществ: нефть, минеральную и каменноугольную мелочь, соли, серную кислоту, вредные и ядовитые металлы и другие нежелательные для контакта с живой природой минеральные и органические образования.

Большие объемы шахтных вод, выдаваемые из недр, обычно связаны с высокой водообильностью разрабатываемых месторождений. Дебит рудничных вод зависит от многих природных и технологических факторов. К природным факторам относятся: режим обводненности района месторождения, наличие в пределах месторождения запертых вод, открытых водоисточников в зоне влияния горных работ, количество выпадающих осадков, проницаемость грунтов и вмещающих пород. Основные технологические факторы -- бурение с промывкой, гидравлическая закладка, гидравлическое подавление пыли.

Обычно рудничные воды несут в себе разного рода загрязнители, и их перед сбросом нужно очищать или перерабатывать как сырье на тот или иной металл. Наиболее распространенными загрязнителями рудничных вод считаются хлористые соединения и свободная серная кислота, которой часто сопутствуют растворимые соли, главным образом сульфаты тяжелых металлов --железа, меди, цинка, марганца, никеля, урана и др. Типичный состав шахтных вод в сравнении с технической водой приведен в табл. 4.

Таким образом, по хлористым и сернистым соединениям, также по содержанию Са, Mg, Na и К шахтные воды превосходят техническую воду в 5-15 раз, что исключает их непосредственное использование без предварительной очистки и нейтрализации даже в технологических целях.

Таблица 4. Химический состав шахтных вод в сравнении с технической водой (по данным В.Н.Мосинец и М.В.Грязнова)

Вода	Содержание компонентов, мг/л
	рН	СО31	НСО3	Cl1	SO4?	Ca?	Mg	Na	K	Fe
Шахтная	6.4	32.0	183.4	351.5	588.4	112.0	150.7	130.1	4.5	0.1
Технич.	7.3	24.0	197.4	77.1	51.1	38.0	11.0	58.2	1.8	0.1

Кислотность и засоленность шахтных вод пагубно влияют на экологическую систему поверхностных водоемов: воды становятся совершенно непригодными для питья, рыбоводства, использования в промышленных целях.

На многих угольных шахтах и разрезах основным загрязнителем являются твердые частицы угля и пород, которые совместно с солями железа портят внешний вид поверхностных водоемов, нарушают биологическое равновесие в них, в результате чего вымирает рыба.

Часто тяжелые металлы накапливаются, образуя аномальные формирования, как следствие индустриальной деятельности человека. Накопление в почве или в воде таких тяжелых металлов, как кадмий, никель, молибден, цинк, марганец, ванадий, бериллий, теллур, может быть опасно для всего живого. Еще опаснее накопление металлов -- ядов: ртути, свинца, мышьяка, селена. Ряд металлов отнесен к веществам, вызывающим раковые заболевания, в частности мышьяк и хром. Отмечена зависимость заболеваний раком пищевода от концентрации в растениях молибдена [21].

Тяжелые металлы, попавшие на почву, легко сорбируются гумусом и гидроокислами железа и алюминия и довольно быстро переходят в растения. Например, в помидорах, выращенных на расстоянии 500--5000 м от завода цветной металлургии, свинца содержалось в 5--110 раз, а в клубнях картофеля в 10--170 раз больше, чем на удаленных контрольных делянках [13]. Часто выпавшие на почву тяжелые металлы не задерживаются на месте. В окислительной природной среде они свободно перемещаются вместе с водой.

В различных природных условиях тяжелые металлы ведут себя по-разному. В окислительной природной обстановке (высокая кислотность почвы и придонных вод) свинец, медь, никель, цинк и ртуть более подвижны, чем в нейтральной или щелочной среде (например, в степной полосе). Наоборот, молибден, ванадий и селен легче перемещаются в щелочной среде. Мышьяк же образует растворимые соединения в любой природной обстановке. На поверхности северных болот его ядовитые соединения могут сохраняться сотнями лет, а в жарких пустынных областях они разрушаются меньше чем за год.

К сточным водам горных предприятий нужно отнести и воды поверхностного стока, т. е. воды естественного стока с породных и рудных отвалов, дорог и со всех других объектов, находящихся в пределах горных отводов. Загрязнение водоемов водами поверхностного стока особенно велико в местностях с большим количеством атмосферных осадков.

Горные предприятия могут загрязнять водоемы также отработанными промышленными водами и обычными канализационными стоками, которые в очистные сооружения поступают неритмично и поэтому могут быть подвергнуты необходимой обработке не в полном объеме.

При разработке месторождений полезных ископаемых загрязнение почвы и вод представляет собой во много раз усиленное природное явление, обусловленное ветровой и водной эрозией выходящих на поверхность участков месторождений. Поскольку естественное загрязнение почвы и вод в районе месторождений протекает весьма медленно, оно во многих случаях не нарушает относительно скомпенсированного, биологически безвредного химического равновесия между геосферами или их отдельными частями. В случае же, когда такое равновесие нарушено, например, и воде, немедленно возникают изменения в почве и атмосферных осадках, а затем в растительности и живых организмах, произрастающих и обитающих на прилегающих к месторождениям территориях, и срабатывает закон так называемого наследования человеком содержания химических элементов земли через растения и животных.

Следует иметь в виду, что любое месторождение в своем естественном состоянии аномально, даже если учитывать его геохимические ореолы. Будучи подвергнуто разработке, месторождение, как геохимическая аномалия, как бы расширяет, иногда весьма значительно, свою территорию. Рудничные воды, пыль и аэрозоли выносят в окружающую среду многие химические элементы или образования, которые переносятся в свободном виде или в виде коллоидов поверхностными и грунтовыми водами на большие или меньшие расстояния, загрязняя соответствующие территории.

Нужно также отметить, что вынос рудничными водами химических элементов может продолжаться и после завершения эксплуатации месторождения, т. е. продолжается насыщение этими элементами разросшейся геохимической аномалии, а попросту -- загрязнение почв и вод.

Поэтому гидрогеологические службы должны не только глубже традиционные вопросы, но и разрабатывать методы предохранения подземных вод от загрязнения, изучать поведение загрязняющих веществ в недрах, а также выявлять способы локализации, обезвреживания или устранения особо нежелательных загрязнений в подземных водах и в недрах.

7. Механизмы загрязнения и заражения окружающей среды

Природа в течение длительного времени создавала равновесие в химическом составе атмосферы, литосферы и гидросферы земного шара. Однако иногда это равновесие локально нарушается либо естественным путем, либо в результате деятельности человека, создавая угрозу загрязнения или даже заражения окружающей среды. Загрязнение -- это засорение окружающей среды в результате природных явлений или деятельности человека. Загрязнение не обязательно содержит составные части, представляющие опасность для здоровья человека. Они могут быть просто неприятны на вид, на вкус или на запах. Заражение -- это такое загрязнение среды, составные части которого опасны для здоровья человека по своей природе или концентрации.

Загрязнение окружающей среды можно контролировать с помощью научных и технических методов, но полная его ликвидация экономически пока неосуществима. Степень уменьшения загрязнения, которой мы хотим добиться, зависит от того, что мы понимаем под загрязненностью и какое количество труда и денежных средств согласны на это затратить.

Любой земной материал, в котором концентрация элемента или соединения значительно превышает его среднее содержание, является потенциальным источником заражения почвы, воды, флоры или фауны. Действует ли он как источник заражения, зависит от того, в каких количествах и в какой форме (доступной для выщелачивания) находится этот элемент или минерал. Известно, что сельскохозяйственные культуры, выращиваемые на почвах с нормальным химическим составом, могут испытывать недостаток в питательных веществах, если основной элемент находится в такой форме, что он не может быть усвоен растениями.

Химическое равновесие в окружающей среде поддерживается благодаря балансу между процессами выделения и поглощения.

С другой стороны, связь между атмосферой, гидросферой, литосферой и биосферой поддерживается процессами переноса посредством атмосферных осадков, движения масс, текущей воды, ветра и льда. Материал или энергия для этих процессов возникают под действием механизмов высвобождения, включая выветривание, эрозию, химические и биохимические реакции. Материалы перестают принимать участие в перемещении под действием механизмов задержания или связывания. Они могут быть физическими (осадконакопление), химическими (выпадение в осадок) и биохимическими (образование органогенных отложений).

Следует еще раз подчеркнуть, что химическое воздействие на окружающую среду может происходить или естественным путем, или в результате деятельности человека. Например, источники рассеянных металлов могут быть как природного происхождения (химическое выветривание материнских пород, вулканическая и гидротермальная деятельность, естественное окисление и т. д.), так и промышленными -- накопление в результате деятельности чело века (сжигание горючих ископаемых, разработка полезных ископаемых, промышленное использование рассеянных металлов, образование свалок и т. д.).

В процессе выветривания из пород могут высвобождаться потенциально загрязняющие вещества. Примером является окисление сульфидных минералов с образованием серной кислоты. Разлагающаяся растительность выделяет сероводород, газ с неприятным запахом, который также может быть превращен в серную кислоту. В результате вулканической деятельности обычно выделяются такие вредные и ядовитые газы, как хлор, фтор, соединения серы, угарный и углекислый газы. Процесс эрозии также высвобождает из пород потенциально опасные вещества, которые распространяются на большие расстояния. Однако скорость высвобождения потенциально загрязняющих веществ в результате естественных процессов, таких как выветривание и эрозия, как правило, очень мала с точки зрения человека. Вулканическая же деятельность протекает достаточно быстро и может вызывать немедленное загрязнение.