Геоэкологические проблемы разработки карьеров полезных ископаемых

       Введение 

       Горнодобывающая промышленность России и мира в настоящее  время широко развивается. Открываются  новые месторождения полезных ископаемых, а так же эксплуатируются старые.

       Промышленная  добыча полезных ископаемых, начиная  с XVIII века, велась с помощью вертикальных горных выработок: глубоких шурфов (до 10 м), шахт. Из вертикальной выработки  при необходимости проходилось  несколько горизонтальных выработок, глубина которых определялась уровнем  залегания подземных вод. Если они  начинали заполнять шахту, шурф, добыча прекращалась из-за нехватки водоотливной техники. Следы старых горных выработок  можно наблюдать и сегодня  в окрестностях Пласта, Кусы, Миасса и многих других городов и поселков горнозаводской зоны области. Часть  из них остается незакрытой, не загороженной до сих пор, что представляет определенную опасность. Таким образом, вертикальная амплитуда изменений природной  среды, связанных с добычей минерального сырья, до XX столетия едва превышала 100 м.

       С появлением мощных насосов, осуществляющих водоотлив из выработок, экскаваторов, большегрузных автомобилей, разработка минеральных ресурсов все чаще ведется  открытым способом - карьерным.

       На  Южном Урале, где большинство  месторождений залегает на глубинах до 300 м, преобладает карьерная добыча. В карьерах добывается до 80 % (по объему) всех полезных ископаемых. Самой глубокой горной выработкой на территории области  является Коркинский угольный разрез. Его глубина на конец 2002 года была равна 600 м. Крупные карьеры имеются  в Бакале (бурые железняки), Сатке (магнезиты), Межозерном (медная руда), Верхнем Уфалее (никель), Магнитогорске  и Малом Куйбасе (железо).

       Очень часто карьеры располагаются  в городской черте, на окраинах поселков, что серьезным образом сказывается  на их экологии. Много мелких карьеров (несколько сотен) находится в  сельской местности. Практически каждое крупное сельское предприятие имеет  свой карьер площадью 1-10 га, где добываются щебень, песок, глина, известняк для местных нужд. Обычно добыча ведется без соблюдения каких-то экологических норм.

       Россыпные месторождения золота в речных песках разрабатываются в последние  десятилетия с помощью драг —  крупных промывальных машин, способных  брать рыхлую породу с глубин до 50 м. На мелких россыпях добыча ведется  гидравлическим способом. Породы, содержащие золото, размываются мощными струями  воды. Результатом такой добычи становится "рукотворная пустыня" со смытым почвенным слоем и полным отсутствием  растительности. Такие пейзажи вы встретите в Миасской долине, к  югу от Пласта. Масштабы добычи минерального сырья увеличиваются ежегодно. Это связано не только с ростом потребления тех или иных минералов, пород, но и с уменьшением содержания в них полезных компонентов.

       Любой способ добычи полезных ископаемых значительно  влияет на природную среду. Особое влияние  испытывает верхняя часть литосферы. При любом способе добычи происходит значительная выемка пород и их перемещение. Первичный рельеф заменяется техногенным. В горной местности это приводит к перераспределению приземных  потоков воздуха. Нарушается цельность  определенного объема пород, увеличивается  их трещиноватость, появляются крупные  полости, пустоты. Большая масса  пород перемещается в отвалы, высота которых достигает 100 м и более. Нередко отвалы располагаются на плодородных землях. Создание отвалов  обусловлено тем, что объемы рудных полезных ископаемых по отношению к  вмещающим их породам невелики. Для  железа и алюминия это 15—30%, для полиметаллов — около 1—3%, для редких металлов — менее 1%.

       Откачка воды из карьеров и шахт создает  обширные депрессионные воронки, зоны снижения уровня водоносных горизонтов. При карьерной добыче диаметры этих воронок достигают 10—15 км, площади  — 200—300 кв. км.

       Истощение грунтовых вод в районе горных выработок и осушение поверхностных горизонтов сильно влияют на состояние почв, растительного покрова, величину поверхностного стока, обуславливают общее изменение ландшафта.

       Создание  крупных карьеров сопровождается активизацией различных инженерно-геологических  и физико-химических процессов:

       - возникают деформации бортов карьера, оползни, оплывины;

       - происходит оседание земной поверхности над отработанными шахтными полями. В скальных породах оно может достигать десятков миллиметров, в некрепких осадочных породах десятков сантиметров и даже метров;

       - на соседних с горными выработками площадях усиливаются процессы эрозии почв, оврагообразования;

       - в выработках и отвалах активизируются во много раз процессы выветривания, идет интенсивное окисление рудных минералов и их выщелачивание, во много раз быстрее, чем в природе, идет миграция химических элементов;

       - в радиусе нескольких сот метров, а иногда и километров, происходит загрязнение почв тяжелыми металлами при транспортировке, ветровом и водном разносе, почвы также загрязняются нефтепродуктами, строительным и промышленным мусором. В конечном счете, вокруг крупных горных выработок создается пустошь, на которой растительность не выживает.

       Оценка  воздействия на геоэкологическую среду  открытого способа добычи полезных ископаемых, а именно карьерного способа  является актуальной задачей современности, так как данный способ создает комплекс проблем, влияющих как на окружающую среду, так и на человека.

       Целью данной работы является оценка негативного  воздействия на геоэкологическую среду  от разработки карьеров полезных ископаемых, а также способов уменьшения от данного  вида деятельности. Для этого необходимо решить следующие задачи:

- проанализировать способы добычи полезных ископаемых;

- дать характеристику открытому способу добычи, а также основным операциям разработки карьеров;

- проанализировать выявленные воздействия разработки карьеров на окружающую среду;

- проанализировать способам решения геоэкологических проблем. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       1 Общие сведения о горнодобывающей  промышленности мира       

       Комплекс отраслей, занимающихся добычей и обогащением полезных ископаемых. В составе отрасли выделяют:

- топливную;

- горнохимическую;

- горнорудную промышленность;

- добычу минерального технического сырья и др. видов неметаллического сырья (алмазы, графит, асбест, слюда, глины, строительные материалы и др.).

         Разработки ведутся как открытым (карьеры), так и подземным (шахты)  способом. Ни одна страна мира  не обладает полным набором  всех видов минерального сырья.  Только 20–25 стран располагают объёмами, превышающими 5 % мировых запасов  какого-либо одного вида полезного  ископаемого. Среди главных горнодобывающих  держав выделяются США, Россия, Китай, Канада, Австралия, ЮАР,  Бразилия. В системе мирового  хозяйства экономически развитые  страны выступают в основном потребителями сырья, а развивающиеся – добывают и экспортируют продукцию горнодобывающей промышленности. Однако и некоторые высокоразвитые страны (напр., США, Канада, Австралия) обладают крупными запасами и добычей, являясь часто даже мировыми лидерами по добыче разного вида сырьевых ресурсов. Тем не менее, в развитых странах доля добывающих отраслей во всём промышленном производстве в среднем составляет 2 %, а в развивающихся странах - 14 % (в нефтедобывающих странах Ближнего и Среднего Востока - около 40÷50 %). Эта отрасль - первичный сектор производства, ибо она добывает первичные материалы и энергоресурсы, без чего не могут существовать все остальные отрасли. 

Рисунок 1 - В забое угольной шахты

       2 Добыча полезных ископаемых

       Процесс извлечения твёрдых, жидких и газообразных полезных ископаемых из недр Земли с помощью технических средств. В процессе добычи извлекают ценные компоненты в относительно чистом виде, например нефть, газ, уголь, драгоценные и поделочные камни и т. п., или в виде горной массы, например руды металлов, которые в дальнейшем подвергаются переработке. Добычу ведут на суше – в шахтах, карьерах, из буровых скважин; на морских акваториях – из буровых скважин, драгами и специальными подводными аппаратами, собирающими полезные ископаемые со дна. Некоторые полезные ископаемые, напр. самородную серу, каменную соль, уголь, добывают в шахтах и карьерах, а также скважинным способом, переводя их в газообразное или жидкое состояние. На карьерах добывается до 90 % бурых и 20 % каменных углей, 70 % руд металлов, 95 % нерудных полезных ископаемых. Наряду с добычей газа скважинами разрабатывают месторождения нефти под землёй. Выбор способа зависит от особенностей залегания полезных ископаемых в месторождении, определяется экономическими расчётами. Ежегодные объёмы добычи полезных ископаемых в мире составляют около 20 млрд. т (в т. ч. неметаллических ископаемых – 13 млрд. т, нефти – около 3 млрд. т), газообразных – 1.5 трлн. м³. Рост добычи обеспечивается за счёт открытия новых месторождений, вовлечения в эксплуатацию месторождений глубокого заложения, применения способов обогащения руд с низким содержанием полезного компонента.

       2.1 Способы добычи полезных ископаемых 

       Полезным  ископаемым называют природное минеральное  образование органического или  неорганического происхождения, которое  может быть использовано человеком  с достаточным эффектом. Полезные ископаемые добывают из недр, природных  вод и на поверхности Земли.

       Добыча  полезных ископаемых - извлечение его  из земной коры или гидросферы с  целью использования. В более  узком понимании термин добыча применяют  для определения количества полезного ископаемого, добытого в определенный промежуток времени.

Существуют  следующие способы добычи полезных ископаемых: подземный, открытый, со дна  озер, морей и океанов и геотехнологический.

       При подземном способе отделение  полезного ископаемого от массива  производят в недрах Земли, а затем  его транспортируют на поверхность  по системе горных выработок - искусственных  полостей определенной формы, создаваемых  в земной коре с определенной целью. Горные выработки служат для разведки, добычи полезных ископаемых и строительства  подземных сооружений (метрополитена, автомобильных дорог или железнодорожных  туннелей, подземных хранилищ и др.).

       Открытый  способ добычи характеризуется тем, что отделение полезного ископаемого  от горного массива и его дальнейшую транспортировку осуществляют на поверхности  Земли. При открытом способе горные выработки бывают подземными и наземными.

Добычу  полезных ископаемых со дна озер, морей  и океанов осуществляют в основном в пределах континентального шельфа и ложа мирового океана. Добычу производят как через водную толщу с применением  механизированных баз, оснащенных черпаковыми  элеваторами, земснарядами и грейферными  погрузчиками, так и с помощью  горных выработок, проводимых с земной поверхности по породам дна водоемов до встречи с полезным ископаемым.

       Из  полезных ископаемых на россыпях шельфа добывают золото, олово, платину, минералы, содержащие титан, цирконий, железо и  др.

       Геотехнологический  способ предполагает бурение скважин  с поверхности или из горных выработок, изменение физического или химического  состояния полезного ископаемого  в недрах и извлечение его по скважинам  на поверхность. Для перевода твердых  полезных ископаемых в транспортабельное  состояние применяют механическое разрушение, плавление, растворение, химическую и бактериально-химическую обработку. Наибольшее распространение получили следующие геотехнологические способы: подземная выплавка серы, подземное химическое и бактериально-химическое выщелачивание медных, урановых и других руд, подземная газификация угольных пластов. В целом под геотехнологией принято понимать совокупность химических, физико-химических и биохимических процессов, способов и средств добычи полезных ископаемых с изменением их агрегатного или химического состояния в недрах Земли. Объемы применения геотехнологических способов добычи полезных ископаемых пока невелики. 

       3 Открытая разработка месторождений 

       Открытая  разработка – наиболее дешевый способ, поскольку при этом используется мощное производственное оборудование, позволяющее за смену извлекать  большое количество полезного ископаемого. Условия работы при открытой разработке менее опасны для здоровья работающих, причем требуется меньшая численность  контролирующего персонала, чем  при подземной добыче. В процессе открытой разработки первоначально  проводят вскрышные работы, т.е. удаление пустых пород, покрывающих залежь.

       Для удаления рыхлых вскрышных масс применяются  механизмы, используемые в капитальном  строительстве – скреперы, конвейерные  погрузчики, механические лопаты, драглайны, многоковшовые роторные экскаваторы  и др. Для перемещения пустых пород  применяются в основном большегрузные  самосвалы, скреперы и ленточные  и другие конвейеры, реже – вода, подаваемая под высоким давлением. Если вскрышные породы слишком крепки, то их обрабатывают с помощью тракторов, оснащенных рыхлителями, либо разрушают буровзрывным способом.