Геоэкологические проблемы разработки карьеров полезных ископаемых

       Наиболее  негативно горная выработка открытого  типа сказывается на состоянии гидросферы. Это относится не только к водным пространствам в непосредственной близости от карьерной выемки, но и  удаленным на расстояния до нескольких десятков километров. К причинам подобного  отрицательного воздействия относятся:

- перераспределение гидростатического и гидродинамического давления подземных вод, их дренаж из верхних горизонтов в нижние;

- усиление поступления в открытую горную выработку вод из открытых водоемов и водостоков;

- фильтрация вод атмосферных осадков вследствие нарушения поверхности.

       Следует отметить, что гидрогеологическая обстановка может изменяться даже при отсутствии специальных осушительных мероприятий (откачки подземных вод), предусматривающихся  при разработке сырья. Причиной этому  является естественный дренажный эффект горной выработки. Основными факторами, вызывающими изменения гидрогеологических условий в ареале заброшенного карьера, является обнажение массивов горных пород, вскрытие водоносных горизонтов, предварительное осушение месторождения, карьерный водоотлив, искусственное  изменение поверхностного стока, сброс  карьерных и технических вод. Это вызывает изменения условий  питания, движения и разгрузки подземных  вод, ведет к широкому взаимодействию водопонизительных систем с водозаборами подземных вод, наблюдается нарушение  режима малых рек. Изменения условий  питания подземных вод приводит к формированию глубоких и достаточно больших по площади депрессионных  воронок и изменению качества грунтовых вод. Так же, наблюдается  деформация поверхности земли под  действием процессов суффозии, а  зачастую, из-за выщелачивания легкорастворимых пород.

       Изменение качества подземных вод также  происходит из-за дополнительного подтока  минерализованных вод снизу или  со стороны.

       Производство  открытых горных работ приводит к  снижению уровня грунтовых вод. Как  правило, понижение их уровня в ареале заброшенной карьерной выработки  влияет на зону почвогрунтов. Это происходит при их неглубоком залегании. Неблагоприятные  гидрогеологические условия в ареале отработанных карьеров вызывают снижение урожайности сельскохозяйственных культур, уменьшение прироста древесины, высыхание и гибель насаждений. Гидрологические изменения условий района добычи полезных ископаемых определяются масштабом работ, их горнотехническими особенностями, положением грунтовых вод и др. Обезвоживание земель, зачастую, приводит к снижению их продуктивности или к полному ее уничтожению в связи с эрозионными процессами, развитием суффозии и проседанием поверхности.

       В различных районах влияние горных разработок на гидрогеологические условия  прилегающих территорий различное. Это влияние определяется особенностями  литологического разреза и тектоники  района, обводненности, условий питания  и разгрузки водоносных горизонтов, интенсивности проведения работ  по добычи ископаемых, способов осушения горных выработок и др.

       Большинство воздействий на атмосферу со стороны  открытой карьерной выработки происходит на стадии разработки (проведение взрывных работ, экскавации и перемещения  транспортных потоков). Однако и после  завершения работ без осуществления  соответствующих рекультивационных  работ в его ареале будут иметь  место такие явления, как сдувание пыли и возникновение застойных  аэродинамических зон.

       В ареале расположения отработанного  карьера из-за выветривания пород  откосов и основания в радиусе 2 км наблюдается превышение санитарных норм по запыленности. Одним из мощных источников пылевыделений на карьере  являются пылящие поверхности откосов  и уступов, сухие пляжи хвостохранилищ. При ветреной сухой погоде пыль с этих поверхностей поднимается в воздух и разносится на значительные расстояния от карьера. По данным предприятия "Алюмиз", только на прилегающих к карьеру добычи известняка и самородной серы "Западный" Красноярского района территориях на расстоянии более 1 км от бровки карьера, концентрации доломитовой пыли в воздухе приземных слоев атмосферы составляли от 4 до 10 ПДК.

       Исследования  проблемы запыленности прикарьерной территории показывают, что запыленность воздуха  на расстоянии 500 м от хвостохранилища  составляет 1,5 - 3,3 кг/м3 при скорости ветра 4-6 м/с и 11,7 - 32,4 кг/м3 при скорости ветра 6-8 м/с. С 1 га сухой поверхности  хвостохранилищ может уноситься  до 2-5 т в сутки мелкодисперсной  пыли. Повышенная запыленность атмосферного воздуха в ареале горной выработки  оказывает существенное влияние  на флору района. Так, в районе расположения отработанных карьеров открытой разработки Агаповского доломитового и Смеловского  известкового месторождений (район  г. Магнитогорска) наблюдается деградация хвойных пород деревьев. Результаты исследования более 500 сосен и елей показали, что основной причиной деградации является превышение концентрации в атмосферном воздухе известково-доломитовой пыли. В качестве явного признака деградации определенно выраженное апикальное опущение веток хвойных деревьев.

       В случае же глубоких карьеров, при глубине  выработки более 100 м происходят изменения компонентного состава  атмосферного воздуха внутри отработанного  карьера. В этой связи, следует отметить, что влияние карьерных выработок  Самарской области на состояние  воздушного бассейна менее существенно, чем загрязнение гидросферы и  деградация земель. Это объясняется  относительно небольшими объемами добычи сырья для удовлетворения нужд местной  промышленности стройматериалов по сравнению, например, с горными выработками  каменного угля на Кузбассе.

       Еще одним существенным негативным воздействием на окружающую среду является образование  стихийных неорганизованных свалок твердых бытовых и промышленных отходов в выработанном пространстве карьеров, сопровождающихся изменением качества атмосферного воздуха, грунтовых  вод и почв в ареале горной выработки. 

       4.1 Экологические проблемы разработки карьеров полезных ископаемых 

       Загрязнение воздуха. Ведение горных работ как в карьерах вызывает загрязнение воздуха газами и твердыми частицами. Весьма активно происходит разнос вещества по воздуху и его аккумуляция вблизи источников выноса. Большое количество пыли попадает в атмосферу от обогатительных фабрик. Значительными ее источниками являются также буровзрывные работы в карьерах, погрузочно-разгрузочные работы и движение тяжелых автомашин по грунтовым дорогам, некоторые виды переработки руды. Насыщение воздуха пылью происходит за счет развевания открытых отвалов и других оголенных мест.

       Серьезные проблемы создает поступление сильно запыленного воздуха из карьеров в результате взрывов, земляных и  погрузочно-разгрузочных работ. Один 27-тонный автосамосвал загрязняет за смену до предельно допустимого уровня 3,7 млн.м³ воздуха. При мощных взрывах (до 500-700 т взрывчатых веществ) масса взрываемых пород обычно составляет 2 млн.т, а объем пылегазового облака - 15-20 млн.м³. Подсчитано, что в условиях Кривого Рога из такого облака в течение 4 часов в радиусе 4 км распространяется на прилегающие земельные угодья от 200 до 500 т пыли с размером частиц 1,5 мкм и менее. Существенно также, что выделяющиеся при взрывах вредные газы требуют для разбавления до безопасных концентраций на каждые 500 кг взрывчатых веществ 1,7-2,0 км³ свежего воздуха.

       В мире ежегодно отбивается с помощью взрывов около 10 млрд. м³ горной массы. Нетрудно подсчитать объем суммарного пылегазового облака. Он достигает 75-100 км³ ежегодно. При этом количество разносимой пыли может быть оценено в 1,0-2,5 млн.т.

       Водопонижение как защита от затопления. Наибольшие трудности при горных разработках возникают из-за притока подземных вод. Известны лишь единичные случаи, когда карьерные выемки полностью ограждались водонепроницаемыми перемычками-завесами. Например, на месторождении серы Тарнобжек в Польше была создана кольцевая завеса из искусственного водонепроницаемого материала. Правда, есть идея вести некоторые разработки вообще под водой.

       Однако  подавляющее большинство карьеров защищаются от притока подземных  вод путем их откачки. Самые значительные мероприятия такого рода проводятся в бассейне р.Рейн (район г.Кельна). Здесь при отработке пластов бурого угля открытым способом откачивается в среднем до 1 км³ подземных вод в год. Очень значительные работы по водопонижению проводятся при добыче рудных полезных ископаемых. Площадь, охваченная водопонижением в районе Курской магнитной аномалии (КМА), достигла 250 тыс.га.

       При наличии депрессионных воронок  изменение уровня подземных вод  наблюдается вокруг них в пределах всех подразделений рельефа - днищ долин, склонов и водораздельных пространств. Следовательно, охрана действующих карьеров от затопления с помощью откачек приводит к коренному нарушению круговорота воды в таких районах.

       Нарушение состояния поверхностных  вод. Водоотбор и связанное с ним понижение уровня подземных вод приводит к уменьшению подземного стока в реки и водоемы. При значительных водопонижениях в пределах депрессионных зон во всех поверхностных источниках истощаются запасы воды, снижается водность рек, падает уровень озер и водохранилищ, высыхают болота, исчезают родники, ручьи и мелкие реки.

       Сброс откачиваемых и сточных вод приводит к значительному увеличению водности ручьев и речек. Сток малых и средних рек в межень благодаря этому местами возрастает в 1,5-3 и более раз. В частности, в районе КМА, за счет откаченных подземных вод, особенно из недренируемых водоносных горизонтов, резко увеличилась водность некоторых рек. Так, например, среднегодовой сток р. Оскольца увеличился на 21-108%, р. Черни на 20-30%. И это произошло несмотря на то, что обе реки "подвешены" на значительных участках над депрессионными воронками уровня подземных вод и существенную долю своих вод (до 1/5) теряют в результате инфильтрации. Искусственное увеличение расходов воды в некоторых реках приводит к повышению на отдельных участках уровней подземных вод, затоплению и подтоплению земель.

       Сброс карьерных вод приводит к сильному загрязнению подземных и поверхностных вод. Показательно, что в составе откачиваемых в стране вод примерно половина имеет минерализацию более 1 г/л, а одна четверть - содержание сульфатов свыше 3 г/л.  

       4.1 Геологические проблемы разработки  карьеров полезных ископаемых 

       Процессы  в литосфере. Массированное наступление горнодобывающей промышленности на недра Земли вызывает проявление широкого спектра процессов на поверхности и внутри литосферы. Часть их возникает как прямой результат действия механизмов, взрывов, растворяющих веществ и микроорганизмов, с помощью которых осуществляется добыча. Поведение пород, слагающих уступы, борта и отвалы на карьерах зависит от географических, геологических, гидрогеологических, инженерно-геологических и горнотехнических условий. Как правило, на участке расположения отработанного карьера наблюдаются ландшафтные изменения, нарушается геоморфология, меняются гидрологический и гидрогеологический режимы, происходит загрязнение подземных горизонтов. Районы, в которых имеются крупные залежи щебня, доломита, суглинков, глин, самородной серы, при разработке месторождений пострадали настолько, что восстановить природный ландшафт на площадях в тысячи гектаров уже практически не возможно.

       Выветривание и почвообразование. Породы, обнаженные при образовании выработок и сгруженные в отвалы, в поверхностном слое подвергаются интенсивному выветриванию.

       Этот процесс в умеренном поясе осуществляется с начальными скоростями порядка нескольких десятков сантиметров в год. Однако со временем, по мере оформления профиля коры выветривания скорость разрушения пород постепенно снижается.

       Поверхностное преобразование материала отвалов  происходит по-разному, в зависимости от их состава и гидротермических условий месторождения. Отвалы, на поверхности которых развиты фитотоксичные породы, могут в течение десятилетий служить ареной физического и химического выветривания. Однако, оставаясь безжизненными и оголенными, они служат источником сноса вредных веществ. При зарастании отвалов, сложенных рыхлыми дисперсными породами, на них быстро развивается почвенный профиль, лишь по некоторым признакам отличающийся от зонального.

       Поверхностный смыв и намыв. Плоскостному и ручейковому смыву подвергаются стенки выемок и склоны отвалов. Имеющиеся количественные оценки ускоренной эрозии на этих поверхностях рельефа свидетельствуют о ее большой интенсивности. Например, на Кимовском и Ушаковском углеразрезах Тульской области модуль смыва с отвалов колеблется от 1384 до 7959 м /га-год, а средний показатель за 10-15 лет составляет 2000-2500 м³/га-год. Происходящий при этом вынос ионов Н⁺, Bе⁺², SO₄^-2 оказывает отрицательное воздействие на почву и урожайность на примыкающих к отвалам пахотных угодьях. Разнос продуктов смыва значителен. Величина затеков составляет на Ушаковском разрезе от 6,4 до 14,4, а на Кимовском - от 8,4 до 31,2% от всей площади отвалов.

       Детальное изучение размыва склонов отвалов  проведено в Польше, в Верхне-Силезском  угольном бассейне. Отвалы сложены  грубообломочными породами с преобладанием щебня и дресвы. На 10 репрезентативных участках выявлены два типа эрозионных форм - промоины, прорезающие склоны отвалов на всем протяжении, и рытвины, приуроченные к бровкам склонов. Рост промоин приводит к параллельному отступлению склонов со скоростью 1,73 см/год, а рытвины выполаживают прибровочные части склонов со скоростью 0,5-0,9 см/год. При затухании эрозии смыв происходит преимущественно в средней части склонов (0,4-0,7 см/год). Рекомендуется для предупреждения размыва придавать склонам отвалов выпуклую форму без выраженной бровки.

       На  отвалах карьеров на западе Северной Дакоты (США) проведено экспериментальное изучение ускоренной эрозии. Отвалы образованы суглинистыми породами вскрыши. Производилось искусственное дождевание - в течение двух часов отвалы подвергали воздействию 64 мм осадков, а в случае исследования почвозащитной роли соломы в дозе 4,5 т/га - осуществлялось дополнительное получасовое дождевание той же интенсивности. Исследования велись на стоковых площадках размером 4х22 м с уклонами от 2°30' до 10°. На вскрышных породах, покрытых гумусированным слоем, смыв доходил до 74 т/га, тогда как на породах без покрытия его значение было 18 т/га. Смыв с участка пастбища с ненарушенным растительным покровом при тех же условиях опыта составил всего 0,2 т/га. Таким образом, при образовании отвалов поверхностный смыв усиливался в 90-370 раз. Соломенная мульча снижала смыв на 84% - на участках с нанесенным гумусированным слоем и на 93% - на участках без этого слоя. На основании проведенного эксперимента установлены масштабы усиления смыва на площадях, занятых отвалами, и сделано заключение о необходимости противоэрозионной защиты их при рекультивации.