Геоэкологические проблемы разработки карьеров полезных ископаемых

       Когда залежь или пласт подготовлены к  извлечению, выбирается оптимальная  система их разработки. Некоторые  массивные руды типа знаменитых месторождений  меди в каньоне Бингем в штате  Юта разрабатываются уступами, которые  поступательно подвигаются. Пластовые  месторождения (угля, калийных солей  и фосфатов) эксплуатируются открытым способом с применением рыхления. На тех карьерах, где для дробления  породы требуется проведение буровзрывных работ, при бурении часто используются шнековые или электрические установки  или дизельные станки вращательного  бурения. Иногда для открытых разработок применяются пневматические устройства типа отбойного молотка или перфоратора, установленные на платформах или  на гусеничном шасси. В самых прочных  породах наиболее эффективно термическое  бурение, при котором для разрушения используется сжигание под давлением  нефти или керосина в смеси  с кислородом. Термическое бурение  достигает температур 3000° С. Взрывные работы при открытой добыче осуществляются с применением порошкообразных  взрывчатых веществ (ВВ) или аммиачной  селитры. Электрические взрыватели используются чаще, чем обычные детонаторы. Важнейшим фактором при открытых разработках является устойчивость откосов бортов карьера. Если рельеф и свойства горных пород не позволяют  осуществить оптимальную выемку с нормальным расположением системы  уступов, соответствующим форме  рудного тела, то для повышения  устойчивости бортов карьера и обеспечения  большей крутизны откосов используют тросовые анкеры.

       Для погрузки отбитого полезного ископаемого  в автомобили или железнодорожные  вагоны применяют драглайны или  механические лопаты, ковшовые погрузчики с опрокидывающимся назад ковшом. Иногда используются многоковшовые  роторные экскаваторы, которые непрерывно перегружают добытый материал на конвейер для перемещения его  к пункту погрузки. Производительность крупных роторных экскаваторов достигает 9900 м3/ч. 

       3.1 Карьер. Основные технологические операции разработки 

       КАРЬЕР - горное предприятие по добыче полезных ископаемых открытым способом; карьером называется также совокупность выемок в земной коре, образованных при добыче полезных ископаемых открытым способом.

       Открытые  горные работы известны с эпохи палеолита. Первые крупные карьеры появились  в связи со строительством в Древнем  Египте пирамид; позднее в античном мире в карьерах в больших масштабах  добывался мрамор. Расширение области  применения открытого способа разработки при помощи карьеров сдерживалось вплоть до начала 20 века отсутствием производительных машин для выемки и перемещения больших объёмов вскрышных пород. В начале 80-х годов в мире посредством карьеров добывается 95% строительных горных пород, около 70% руд, 90% бурых и 20% каменных углей. Масштабы добычи в карьерах достигают десятков млн. т в год (табл.).

       Ведение открытых горных работ на больших  глубинах отличается рядом особенностей. Большая специфика характерна и  для карьеров, действующих на больших  высотах в горах. Карьер представляет собой систему уступов (обычно верхние  - породные или вскрышные, нижние - добычные, редко породные), подвигание которых обеспечивает выемку горных масс в контурах карьерного поля.

Рисунок 3.1 - Рельеф, образующийся при открытой разработке месторождений различного типа

        Условные обозначения:

                Месторождения:

поверхностные                                       высотные

 а)пологие  площадные,                         в)крутопадающие наклонные;

б)пологие  вытянутые; 

       Транспортные  связи в карьерах обеспечиваются постоянными или скользящими  съездами, а с поверхностью - траншеями. В процессе эксплуатации происходит перемещение рабочих уступов, вследствие чего увеличивается выработанное пространство. Посредством вскрышных работ покрывающие породы перемещаются в отвалы, иногда размещаемые в выработанном пространстве, добычные работы обеспечивают выемку и перемещение полезных ископаемых на промышленную площадку для первичной переработки или для отгрузки потребителю. Так формируются основные грузопотоки в карьерах, во многом определяющие его облик и технологические особенности.  

       При глубине карьера до 100 м с крепкими вмещающими породами в себестоимости 1 м3 вскрыши до 25-30% занимают буровзрывные работы, 12-16%-экскавация, 35-40%-транспорт  и 10-15% - отвалообразование; с увеличением глубины карьеров доля расходов на транспорт увеличивается до 60-70%. Современные карьеры - высокомеханизированные предприятия, оснащённые производительными машинами и механизмами для дробления, выемки, транспортирования и складирования горных пород.  

Рисунок 3.2 - Сибайский карьер по добыче медноколчеданных руд 

Рисунок 3.3 – Карьер по добыче гранита 

       Применительно к крупным карьерам определяющим является мощное горное и транспортное оборудование. Для бурения взрывных скважин применяют тяжёлые буровые  станки (шарошечные с удалением буровой  мелочи сжатым воздухом) массой до 100-130 т, развивающие усилие на долото 60-70 тс (диаметр скважин до 300-450 мм), лёгкие буровые станки. Основной тип взрывчатых веществ - гранулированные аммиачно-селитренные гранулиты (бестротиловые простейшего состава), граммониты (смесь селитры с тротилом) и водонаполненные (в обводнённых скважинах). Механическое рыхление осуществляется рыхлителями, мощность которых достигла 735 кВт, а масса 130 т. Электрические экскаваторы с канатным приводом и ковшом вместимостью 15-30 м3 при длине стрелы до 26 м - основное выемочно-погрузочное оборудование на добыче угля и руды. Одновременно широко распространяются гидравлические прямые мехлопаты с ковшами вместимостью 10-38 м3. Совершенствуются одноковшовые погрузчики различных моделей с ковшами вместимостью 4-20 м3, массой от 25 до 180 т и приводом мощностью от 184 до 1040 кВт; основная часть моделей - с шарнирно-сочленёнными рамами, поворачивающимися на 35-45°. На вскрышных работах внедряются всё более мощные мехлопаты и драглайны (применяется вскрышная мехлопата массой 12 тысяч т с ковшом вместимостью 135 м3 при мощности привода 22 тысяч кВт и драглайн массой 12 тысяч т с ковшом вместимостью 168 м3 при длине стрелы 92 м).

       Поточная  технология на карьерах достигается  применением роторных экскаваторов (при диаметре ротора 22 м и ковшах вместимостью 6,6 м3 суточная производительность машины до 240 тысяч м3). На карьерах средней  и малой мощности высокую эффективность  показывают т.н. компактные роторные экскаваторы  с уменьшенными рабочими параметрами. На карьерах с крепкими породами наибольший объём перевозок осуществляется тяжёлыми автосамосвалами. Автосамосвалы  грузоподъёмностью 100-155 т являются распространённым средством транспорта благодаря манёвренности, возможности  преодолевать крутые уклоны. В эксплуатации находится некоторое число 200-тонных самосвалов и самый большой - грузоподъёмностью 318 т. Для транспортирования горных масс из карьеров применяются железнодорожные тяговые агрегаты сцепной массой 360 т, думпкары грузоподъёмностью до 180 т. Создан отвалообразователь для применения по транспортно-отвальной системе разработки производительностью 12,5 тысяч м3/ч с длиной стрелы 220 м. Высокую производительность и благоприятные условия рекультивации обеспечивает комплекс оборудования, включающий ленточные конвейеры и перегружатели. На карьерах средней производственной мощности применяются самоходные карьерные дробилки на гусеничном, колёсном и шагающее-рельсовом ходу с массой до 600 т и часовой производительностью 5 тысяч т. Использование в карьерах дробильных агрегатов позволяет перейти к более широкому использованию конвейерных систем транспортирования.

       Электроснабжение  карьеров осуществляется по воздушным  линиям через карьерные подстанции напряжением 6-10 тысяч вольт. Для  питания вспомогательной техники  и освещения карьеров в рабочей  зоне используются передвижные трансформаторные киоски. На карьерах, особенно глубоких, при больших притоках подземных  вод применяется осушительная система  с помощью скважин, пробуренных  с поверхности вокруг карьера  или из подземных горных выработок. Помимо осушения на карьерах производится ограждение от поверхностных и просачивающихся  в карьеры вод.

       Созданы автоматизированные системы перспективного, текущего и оперативного планирования горных работ в карьерах по всем технологическим процессам, включая  рекультивацию земель, нарушенных открытыми  горными работами. Для определения  конечных границ и производительности карьеров применяют ЭВМ. В компьютерную систему закладываются данные условий залегания, информация о мощности вскрышных пород, другие геологических факторы, экономические показатели (плановая производительность карьера, капитальные вложения, стоимостные данные), требования по охране окружающей среды.

       В связи с большим масштабом  горных работ и глубиной карьеры  изменяют циркуляцию масс воздуха (холодный воздух "стекает" в карьер), создают  особый микроклимат. 

       4 Характеристика негативного воздействия разработки месторождений полезных ископаемых 

       Постоянно растущие потребности в строительных материалах вызывают необходимость  интенсивного развития горной промышленности. Наблюдается отторжение значительных территорий для разработки полезных ископаемых открытым и закрытым способом. На сегодняшний день общая площадь  нарушенных земель на земном шаре составляет порядка 20 млн. км2. Причинами деградации являются как сама добыча полезных ископаемых, так и застройка, размещение отходов производства и потребления  в окружающей природной среде. На горные выработки приходится более 80% от общего количества нарушенных земель. При этом, разработка открытым способом вызывает существенные изменения структуры  природных ландшафтов за счет увеличения или уменьшения абсолютных отметок  поверхности земли. Наблюдаются  изменения компонентов окружающей природной среды в результате прямого или косвенного влияния  деятельности горнорудных предприятий. Прямое влияние на качество окружающей природной среды проявляется при:

- изъятии значительных территорий сельских и лесных земель для проведения горных работ;

- загрязнении территории проведения горных работ отходами горно-обогатительных производств;

- нарушении гидрологического режима местности и, как следствие, уменьшение биологической продуктивности земель.

         Как показывает практика, один  гектар нарушенной разработками  территории ориентировочно оказывает  вредное влияние на гектар  прилегающей территории. Это объясняется  наличием земель, занятых отвалами пустой породы, хвостохранилищами, промышленными площадками, транспортными коммуникациями и др. Подсчитано, что в карьере площадью до 8 га и глубиной менее 10 м на 1 т добываемого сырья приходится до 1,5 т вскрышных пород. В табл. 1.1 представлены данные, характеризующие площадь земельного отвода по карьерам стран бывшего СНГ.  

Таблица 4.1 Характеристика земельных отводов для разработки полезных ископаемых открытым способом на территории стран бывшего СНГ

       Выделяют  четыре вида нарушенных территорий: 

- внутренние отвалы при бестранспортной системе разработки; 

- внутренние отвалы при транспортной системе разработки; 

- внутренние отвалы и карьеры, располагающиеся выше уровня земной поверхности; 

- глубокие карьеры. 

       При разработке полезных ископаемых открытым способом можно выделить два вида нарушений: ландшафтные и экологические. Под ландшафтными нарушениями понимают нарушения земной поверхности. Под  экологическими - изменение условий  жизнеобитания на землях горного  отвода и прилегающих к ним  территорий с падением их биологической  продуктивности и резким снижением  качества окружающей среды, что оказывает угнетающее действие на флору, фауну и здоровье человека.

       Так, при добыче полезных ископаемых открытым способом, формируется техногенный  пересеченный рельеф, состоящий из высоких насыпей и глубоких впадин. При изменении отметок местности  образуются положительные формы  техногенного рельефа (искусственные  возвышенности) и отрицательные  формы (овраги, балки, лощины, котлованы  и др.). Разность отметок может  достигать до 100 - 200 м. Усиление контрастности  среды существенно влияет на повышение  активизации обмена веществом и  энергией как внутри нового ландшафта, так и. между ним и смежными природными комплексами. По этой же причине  происходит интенсификация овраго- и  оползнеообразования. Кроме этого, нарушение значительных территорий земель происходит, зачастую, в результате неполного извлечения сырья. Так, например, разработка Водинского месторождения  самородной серы и доломитов при  рабочей площади карьеров около 100 га привела к деградации территории площадью до 2000 га.

       При отсутствии рекультивационных работ  по восстановлению нарушенных земель, наблюдаются изменения микрорельефа. При неоднородности уклонов поверхности  горной выработки, на ее территории происходит микроклиматическая дифференциация. Интенсивность  солнечного излучения при уклоне не менее 6° уменьшается более  чем на половину. Вогнутые части  карьера нагреваются в дневные  часы на 4-6 °С больше, чем выпуклые и получают разное количество влаги, что приводит к неоднородности температурного выветривания и постепенному обрушению склонов.

       Кроме этого, наличие выемок отработанных карьеров вызывает экологические нарушения. Выработанное пространство карьера оказывает негативное воздействие на атмосферу, литосферу, гидросферу.