CC BY
50
УДК 622.271.327
В.П. Сафронов, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-20-41, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ),
В.В. Сафронов, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-20-41, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ),
А.В. Дубинин, асп. ТулГУ, (4872) 35-20-41, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ),
Г.Г. Рябов, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-22-74 (Россия, Тула, ТулГУ)
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПЕРСПЕКТИВЫ СИНТЕЗА ПОЧВООБРАЗУЮЩЕЙ МИНЕРАЛЬНОЙ МАССЫ ПОРОДНЫХ ОТВАЛОВ УГОЛЬНЫХ РАЗРЕЗОВ
Недостаточное количество почвенно-растительного слоя при восстановлении земель, нарушенных открытыми горными работами, приводит к некачественным результатам рекультивации. Для качественной рекультивации необходимо иметь дополнительные объемы почвенной массы. Предлагается организовать производство почвообразующих смесей в породных отвалах карьеров. Смеси позволят не только компенсировать недостающие объемы почвенной массы при выполнении рекультива-ционных работ, но и дают возможность карьерам предлагать смеси на рынке в качестве товарной продукции. Установлено, что породные отвалы угольных карьеров имеют кислую среду.. Кислая среда отвалов пригодна для синтеза почвообразующей минеральной массы.
Ключевые слова: угольный разрез, отвалы, кислая среда, синтез, почвообра-зующая масса.
Основным направлением повышения технико-экономических показателей открытых горных работ в настоящее время является наращивание производственной мощности за счет использования высокопроизводительного оборудования и создания новых технологических схем освоения месторождений. При этом вскрышные породы и сформированные из них отвалы, а также выработанное карьерное пространство по-прежнему рассматриваются как отходы. Отвалы могут включать токсичные породы и иметь среду с кислой реакцией. Остаточные горные выработки, как правило, заполнены щелочными или кислыми водами. Несмотря на это отвалы и горные выработки являются техногенным георесурсом и его необходимо использовать во благо экономического развития горнодобывающих регионов Российской Федерации.
Производство открытых горных работ сопровождается нарушениями рельефа местности и почвенного покрова земной поверхности. Исходный объем почвенной массы, который укладывается во временные склады в границах горного или земельного отводов, не всегда обеспечивает требования рекультивационных работ, так как для восстановления всей площади, нарушенной открытыми горными работами, почвенных пород не достаточно. Дополнительные объемы почвенных пород необходимо закупать
или выходить из положения путем нанесения почвенного слоя, сохраненного во временных складах, меньшей мощностью, что сказывается на снижении плодородия земель.
Предлагается организовывать производство почвообразующих смесей в породных отвалах карьеров. Путем предварительных исследований отвалов карьеров центральной части России установлено, что породные отвалы карьеров имеют среды: с кислой реакцией, щелочной реакцией или среду, которая приближена к нейтральной. Так, например, в отвалах угольных разрезов преобладает среда с кислой реакцией, а в отвалах карбонатных карьеров среда с кислой реакцией встречается крайне редко. Для предлагаемой нами технологии, кислая среда отвалов пригодна для синтеза в ней почвообразующей смеси. Почвообразующие смеси по содержанию и структуре приближены к природным почвам. Исходными компонентами для синтеза почвообразующих смесей являются промышленные отходы. Производство почвообразующих смесей предоставляет возможность получать объемы искусственных почв, востребованные собственным производством карьеров и рынком. Такие смеси создают условия для произрастания только определенных культур (в смесях отсутствуют семена других растений). Свойства синтезируемых почвообразующих смесей приближены к природным свойствам.
Природная почва - это поверхностный слой суши, возникший в результате изменения горных пород под воздействием живых и мертвых организмов (растительных, животных и микроорганизмов), солнечной энергии и атмосферных осадков. Важнейшим свойством почвы является ее плодородие, что представляет исключительную ценность для общества. К важнейшим факторам, влияющим на процесс образования почвы, относятся почвообразующие породы, растительные и животные организмы, климат, рельеф земной поверхности, деятельности человека и время.
Только длительное взаимодействие материнских пород с растительными и животными организмами создает специфические качества, отличающие почву от горных пород. Биологическая деятельность играет ведущую роль в почвообразовании, в создании новых сложных специфических веществ, называемых гумусом.
В органической части почвы содержатся следующие органические вещества [1]:
почти не разложившиеся или слабо разложившиеся остатки растительного происхождения. Их скопления образуют лесные подстилки, торфяные горизонты, степной войлок. Эти остатки называются грубым гумусом;
• вещества, находящиеся в стадии глубокого преобразования и представленные в виде рыхлой чёрной массы перегноя;
• полностью преобразованные вещества, в которых даже под-микроскопом не обнаруживается остатков растительных тканей. Эти органические вещества и являются собственно гумусом.
Между этими формами почвенного органического вещества существуют постепенные переходы.
В процессе почвообразования важную роль играют микроорганизмы, позвоночные и беспозвоночные животные, которые участвуют в преобразовании органического вещества и улучшении структуры почвы. Климат влияет на характер выветривания горных пород, воздействует на тепловой и водный режим почвы, обуславливая проходящие в ней процессы и их интенсивность, и в значительной степени определяет растительный покров и животный мир. Климатические условия определяют горизонтальную зональность почв, которая является основной закономерностью географии почв.
Влияние рельефа земной поверхности на почвообразование проявляется преимущественно в регулировании и перераспределении солнечной энергии и атмосферной влаги и в изменении гидротермических условий в зависимости от абсолютной высоты.
Среди факторов почвообразования, установленных В.В. Докучаевым, особое значение имеет время, которое является необходимым условием любого природного процесса. Установлено, что скорость образования профиля почвы составляет от нескольких сотен до нескольких тысяч лет.
Почва состоит из твердой, жидкой, газообразной и живой частей. Соотношение их неодинаково не только в разных почвах по площади, но и на различных горизонтах. В твердой части преобладают минеральные вещества, которые составляют 80... 90 % массы почвы.
В состав твердой части входит также органическое вещество, основная часть (80.90 %) которого представлена сложным комплексом гумусовых веществ. Органическое вещество включает также соединения растительного, животного и микробного происхождения, содержащие клетчатку, лигнин, белки, сахар, органические кислоты, смолы, дубильные вещества и др. Многие органические вещества участвуют в создании структурных отдельностей (комочков). Структура почвы во многом определяет ее физические свойства, водный, воздушный и тепловой режимы. Твердые частицы в естественном залегании заполняют не весь объем почвенной массы, а лишь некоторую часть. Другую часть составляют поры, в которых находятся почвенный раствор и почвенный воздух. Для большинства почв пористость изменяется в пределах 40... 60 %.
Жидкая часть почвы представлена водным раствором газов, минеральных и органических веществ. Он снабжает растения водой и растворенными элементами питания под воздействием гравитационных, капиллярных, сорбционных и осмотических сил.
Состав и концентрация почвенного раствора имеют кислую или щелочную реакцию. Степень кислотности почвы является весьма важным показателем, так как характеризует ее генетические и производственные качества.
Почвенный воздух отличается от атмосферного воздуха. Количество и состав почвенного воздуха, содержащего азот, кислород, углекислый газ, летучие органические соединения, непостоянны и зависят от множества протекающих в почве химических, биохимических и биологических процессов. Почвенный воздух находится в состоянии газового обмена с атмосферным воздухом. Избыток углекислого газа из почвы выделяется в атмосферу, а атмосферный воздух, обогащенный кислородом, проникает в почву.
В результате постоянного газообмена между почвой и атмосферой устанавливается подвижное равновесие. Газообмен может быть затруднен по причине плотного сложения почвы или избыточной увлажненности, что отрицательно влияет на рост растений.
Живая часть почвы включает почвенные микроорганизмы (бактерии, грибы, водоросли и др.) и представителей многих групп беспозвоночных и позвоночных животных.
В процессе формирования почвы под влиянием факторов почвообразования складывается ее плодородие, которое оценивается продуктивностью естественной растительности.
Из информации, относительно достигнутого уровня знаний о свойствах природной почвы и лабораторных экспериментов, нами получены выводы, что почву можно синтезировать в породных отвалов карьеров. Все основные необходимые компоненты для производства искусственных почв в Тульском регионе имеются. На территории Тульского горнопромышленного региона накоплено много промышленных отходов, например, отсевы дробления от производства щебня из карбонатных пород, углесо-держащие породы шахтных терриконов, твердые иловые осадки ливневой канализации, отходы бумажной промышленности и другие отходы, которые применимы в качестве компонентов для синтеза почвообразующей смеси.
Первый промышленный синтез почвообразующей смеси из промышленных отходов, предлагается организовать на отвалах вскрышных пород Грызловского угольного карьера. В основу технология закладки компонентов для синтеза положена организация работ по созданию в отвалах породных емкостей специальных конструкций (рис. 1). Отвалы вскрышных пород, характеризуемые кислой средой, предлагается использовать для формирования в них емкостей. В емкости производится закладка исходных компонентов.
На рис. 1 представлены схемы формирования отвалов вскрышных пород в виде емкостей.
Рис. 1. Схемы формирования отвалов вскрышных пород
в виде емкостей
При полной отработке запасов месторождения, размещение промышленных отходов возможно с использованием существующих отвалов вскрышных пород. Формирование емкостей целесообразно осуществлять двумя способами:
1) на отвале, с использованием материалов самого отвала, то есть в одной его части укрепляются откосы и формируется площадка, на которой будут сооружаться емкости для размещения компонентов синтеза почвы (рис. 1, б).
2) рядом с отвалом, используя откос (рис. 1, в). Для создания емкостей осуществляется перевалка части вскрыши существующего отвала и формирование с ее использованием емкости вдоль одного из откосов. При этом целесообразно обеспечить минимальную ширину вала поверху, достаточную лишь для обеспечения одностороннего подъезда автотранспорт-
ных средств, так как заполнение емкости будет осуществляться со стороны основного отвала, по существующим транспортным коммуникациям.
Б4
Рис. 2. Схема для расчета параметров отвалов, формируемых
в виде емкостей
А - длина карты, м; Б - ширина карты, м; к - высота отвала, м; кК - высота карты, м; Шв - ширина дороги на отвале, м; Ьо.н - выход вскрышных пород за карту, м; Ьон. - выход изолирующего материала за карту, м; Б1 - ширина карты по верху с изолирующим слоем, м;
гп
Б - ширина карты по низу с изолирующим слоем, на высоте равной его мощности, м; Б111 - ширина карты по низу без изолирующего слоя, м;
п.IV гу
В - ширина отвала по верху, м; Б - ширина отвала по низу, м; А1 - длина карты по верху с изолирующим слоем, м; А11 - длина карты
по низу с изолирующим слоем на высоте, равной его мощности, м; А111 - длина карты по низу без изолирующего слоя, м; А^ - длина отвала
по верху, м; А - длина отвала по низу, м; аI - заложение внутренних боковых откосов карты; а2 - заложение внутренних торцевых откосов карты; а3 - заложение внешних боковых откосов отвала;
а4 - заложение внешних торцевых откосов отвала; Мэ.о. - мощность изолирующего слоя на откосах карты, м; Мэ.д.- мощность изолирующего слоя на дне карты, м; Мэ.в.- мощность изолирующего слоя над отходами, м; Мож - мощность отвальных пород над отходами, м
На рис. 2 представлена схема для расчета параметров отвалов, формируемых в виде емкостей. Определенное сочетание параметров позволяет иметь емкость для успешного синтеза почвообразующей массы.
Для организации синтеза почвообразующей смеси при определенных условиях, возможно, использовать горные выработки (рис. 3).
Рис. 3. Формирование карьерного пространства в виде емкостей: а - на стадии проектирования карьера предусматриваются внутри карьерные площадки для временного формирования внутреннего отвала; б - сооружение площадок в конце стационарных съездов для создания первоначального фронта работ по отсыпке отходов
Исходные компоненты для синтеза почвообразующей массы, содержащие токсичные вещества (например, порода шахтных терриконов), предварительно перекрываются в емкостях слоем нейтральных или потенциально плодородными вскрышными породами. Все компоненты, необходимые для синтеза почвообразующих элементов, отсыпаются послойно в определенной последовательности и мощностью. Заполненная емкость консервируется путем покрытия ее слоем суглинков мощностью до 30.40 см, на которых высевается травы.
Откосы дамб обвалования предохраняются от водной и ветровой эрозии путем посева трав для создания прочного дернового покрова. При этом предусматривается обеспечение бесперебойного процесса газообмена. Полив покровной растительности осуществляется из водоема - разрезной траншеи.
По результатам созревания почвообразующей массы производится ее отгрузка потребителям. Освободившаяся емкость вновь загружается компонентами для синтеза почвообразующей массы с комплексом минеральных удобрений.
Плодородие почвы зависит от содержания необходимых для растений питательных веществ, наличия доступной для растений влаги, устойчивости влажности, аэрации почвы (хорошая аэрация является важным условием развития корневых систем), жизнедеятельности микроорганизмов, механического состава и структуры почвы, содержания токсичных веществ и др.
Почвообразующая масса позволяет регулировать запасы питательных веществ в почве. Устранение повышенной кислотности почвы достигается ее известкованием, при повышенной щелочности - гипсованием. При необходимости, все эти компоненты содержит почвообразующая масса. Для устранения избытка легкорастворимых солей (в основном хлори-
дов и сульфатов натрия, магния и кальция) применяют промывание почвы, а для предупреждения накопления солей осуществляют полив и дренаж.
Так как наиболее высоким плодородием характеризуется почва, которая имеет достаточное количество влаги и хорошую аэрацию, то регулирование запасов влаги в почвообразующей массе достигается за счет задания ей структурных свойств в процессе синтеза и агротехнических мероприятий.
Разработка технологии искусственного создания почвообразующей минеральной массы позволит создавать продукт пригодный для выполнения работ по восстановлению нарушенных открытыми горными работами земель, полигонов промышленных и бытовых отходов, землевания малопродуктивных земель. Промышленные объемы синтеза почвообразующей минеральной массы позволит удовлетворить запросы рынка почвования.
Список литературы
1. Томаков П.И., Коваленко В.С. Рациональное землепользование при открытых горных работах. М., 1984. 213 с.
V.P. Safronov, V.V. Safronov, A.V. Dubinin, G.G. Riybov
ENVIRONMENTAL PERSPECTIVES OF PEDOGENIC MINERAL MASS SYNTHESIS OF COAL OPEN PITS DUMPS
The insufficient amount of a soil-vegetative stratum at the restoration of lands, disturbed by open mining operations, leads to poor-quality results of revegetation. For qualitative revegetation it is necessary to have additional volumes of soil mass. It is offered to organize manufacture of pedogenesis mixtures in waste heaps of opencasts. Mixtures will allow not only compensating missing volumes of soil mass at execution revegetation of operations, but also giving the chance to opencasts to offer mixtures in the market in the capacity of to a commodity output. It is installed, that waste heaps of carbonic opencasts have the sour. The sour environment of dumps is suitable for synthesis of soil-forming mineral mass.
Key words: coal open pit, dumps, acid medium, synthesis, soil-forming mass.
Получено 17.02.2012
