Экологический предел вместимости долинных гидроотвалов Кузбасса Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

Ялтанец И.М. - профессор, Московский государственный горный университет,

Иванов С.А. - генеральный директор НПО «Гольфстрим».

и ..„„„„..„.и , .

А. Т. Миро„е„ко, 2005

УДК 622.014.3:502.76

Е.А. Кононенко, С.И. Протасов, А. Т. Мироненко

ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ ПРЕДЕЛ ВМЕСТИМОСТИ ДОЛИННЫХ ГИДРООТВАЛОВ КУЗБАССА

Семинар № 12

Т^идромеханизированная разработка

А. вскрышных пород на карьерах является одной из самых эффективных технологий ведения горных работ при отработке наносов. Основным негативным фактором, сдерживающим широкое распространение этой технологии является гидроотвалообразование. Этот процесс характеризуется значительной землеемко-стью, и в результате применения традиционной тех-нологии намыва гидросмеси в гидроотвал, сложностью их рекультивации.

Г идроотвалы разрезов угольной компании (УК) «Кузбассразрезуголь» занимают

площадь 2770 гектаров (таблица). Многие из них заполнены более чем напо-ловину от проектной емкости, но до сих пор не рекультивированы. Некоторые из них, например «Сагарлыкский» (разреза «Бачат-ский») засыпаны отвалами полускальных вскрышных пород, а намыв в гидроотвал разреза «Краснобродский» возобновляется.

Размещение гидроотвала осуществляется чаще всего в долине небольшой реки в непосредственной близости от карьера.

Типичный долинный гидроотвал представляет собой

Рис. 1. Долинный гидроотвал и его части: 1 - дамба; 2 - тело гидроотвала; 3 - выпуск гидросмеси; 4 -прудок

крупное ступенеобразное сооружение закрытого контура, полностью перегораживающее речную долину и перехватывающее весь ее сток. В соответствии с проектными рекомендациями заполнение отвала производится от дамбы (рис. 1). При этом выпуски гидросмеси располагаются на дамбе. Гидронамыв от дамбы призван укрепить ее путем создания упорной призмы из наиболее крупных фракций гидросмеси, принимающей на себя часть давления пород сооружения. При намыве поток гидросмеси пересекает поверхность гидроотвала и на всем протяжении его пути происходит фракционирование. Наиболее крупные частицы выпадают в зоне пляжа, а самые тонкие фракции транспортируются вплоть до прудка водозабора. Большая часть породы осаждается вблизи дамбы, мощность намываемого слоя убывает от дамбы к центру, что обуславливает создание слабонаклонной поверхности с падением от места выпуска. Такой наклон намываемой поверхности противоположен естественному наклону тальвега речной долины и образует так называемый «кон-

Состояние земель, занятых гидроотвалами на 01.01.2002 г. по УК «Кузбассразрезуголь

Занятие неиспользованных земель по годам, (га) 2010- 2011 55,0 55

00 2 ° 2 О О й N 55,0 55

2006- 2007 782,0 732 50

2004- 2005 20,0 20

2002- 2003 104,5 80 15 9,5

из них, (га) ш 2 я £ 0 о 1 3 £ 2 I С &§ во « 1205,6 80 732 384,1 9,5

Занято в работе 1562.5 301 795,8 131 28 4,2 200 102.5

О * Е 5 ~ $ 1 и О ^ О 00 О 1-н _ ► * * ► ► лі О С\1 ООгніЛСОСЧ^Чпн ч£)000>ч0’— со г>- оо СЧІ

| Предприятие Всего по УК «Кузбассразрезуголь» Г идроотвалы Кедровский Моховский Сартаки Красный Брол Вахрушевразрезуголь Таллинский Ерунаковский

3 £ ГН СЧІ СО ТҐ Ю 40 Г4*

труклон» (см. рис. 1).

Контруклон гидроотвала лишает долину ее основного свойства - проточности, на поверхности отвала скапливается вода, подпитывающая намытые породы и существенным образом затрудняющая их консолидацию. Кроме того, при гидронамыве в разветвленных балочных и речных долинах гидросмесь оседает неравномерно и в логах, прилегающих к основной долине под углом, близким к прямому, образуются незамытые вскрышными породами, а заполненные водой «мертвые зоны». Наличие прудов «мертвых зон», составляющих 20-25 % площади поверхности гидроотвала, уменьшают возможный объем укладываемых пород не менее, чем на 5-10 %. Пруды «мертвых зон» значительно осложняют рекультивацию долинных гидроотвалов, для их заполнения и вытеснения воды необходима специальная доставка вскрышных пород. Это, с одной стороны просто дорого, а с другой - довольно сложно из-за низкой несущей способности грунта, постоянно подпитываемого водой из прудов «мертвых зон» и отсутствия дорог. Исследования показали, что через три года после прекращения намыва несущая способность грунта вокруг «мертвых зон» не превышала 1,3^1,7 кг/см2. Известно, что для использования колесных тракторов всех типов несущая способность должна достигать порядка 3 кг/см2. Период консолидации таких пород составляет от 7,3 до 10 лет без учета эффекта подпитки. Кроме этого, заболачивание верховьев прудов «мертвых зон» и постоянный подъем уровня воды в них из-за подпитки атмосферными осадками со всей площади водосбора, значительно усложняет прогон скота, находящегося на окружающих гидроотвал выпасах.

Любая совокупность неровностей земной поверхности - рельеф, как эндогенного, экзогенного, так и техногенного генезиса - подвергается довольно активному воздействию рельефообразующих процессов, которые, в свою очередь, являются функцией географического положения территории. Для обеспечения целостной и

223

рациональной рекультивации земель, нарушенных горными работами, свойства которых изменены вмешательством человека, необходимо располагать сведениями о параметрах и особенностях рельефообразующих процессов, и, соответственно, учитывать их в процессе восстановления земель.

Все техногенные формы рельефа с момента их создания вовлекаются в сферу действия геоморфологических процессов, протекающих в естественных морфосистемах, и взаимодействуют с ними. Естественные морфосистемы, получившие антропогенное составляющее, видоизменяются. В них могут активизироваться естественные рельефообразующие процессы и негативно воздействовать на сформированный техногенный рельеф.

Геоморфология - наука о строении, происхождении, истории развития и современной динамике рельефа земной поверхности. Именно геоморфология должна позволить нам определить функциональное значение форм рельефа в морфосистемах и выявить реликтовые формы. Реликты прежних условий морфогенеза не играют никакой роли в функционировании современного рельефа и могут быть исключены при проектировании морфологии поверхности в ходе рекульти-вационных работ.

Такой принцип определяет возможность восстановления функции рельефа в морфо-системе региона. Следовательно, основной задачей исследования является обоснование принципов формирования техногенного рельефа при рекультивации долинных гидроотвалов.

Проведенные в нашей стране и за рубежом исследования показали, что ввиду наличия ряда необратимых процессов (изменения литологического состава и физикомеханических свойств грунта), неизбежных при рекультивации, геоморфологическая обстановка восстановленных территорий сильно отличается от естественной. В связи с этим появляется задача адекватного восстановления рельефа, выбора стратегии экологически адекватной рекультивации, основанной на геоморфологических принципах.

Под экологически адекватной рекультивацией подразумевается такая совокупность технологических процессов по формированию техногенного рельефа, которая обеспечивает возвращение нарушенных земель в природную геоморфосистему ландшафтных комплексов с прежними функциями. При этом под ландшафтом понимается основная единица физико-географического деления (районирования) - генетически единая территория с однотипным рельефом, геологическим строением, климатом, общим характером поверхностных и подземных вод, закономерным сочетанием почв, растительных и животных сообществ. Каждый ландшафт состоит из простых физикогеографических единиц (фаций, местностей, урочищ), которые образуют в его пределах взаимосвязанные сочетания.

Стратегия экологически адекватной рекультивации, основанной на геоморфологических принципах, подразумевает формирование при рекультивации такого техногенного рельефа, который обеспечивает возвращение нарушенных земель с прежними функциями.

На наш взгляд, понятие экологической адекватности по отношению к вопросу рекультивации долинных гидроотвалов является восстановление основной функции долины - ее проточности. Она может быть достигнута, во-первых, за счет восстановления русла водотока (реки или ручья), а, во-вторых, за счет обеспечения уклонов поверхности всей долины, которые обеспечат водосбор с территории долины для подпитки водотока, исключая при этом ее размыв.

Каким же граничным требованиям должны соответствовать параметры водотока? Главным параметром любого русла является уклон. Величина уклона обеспечивает определенный дебит реки (при соответствующей площади сечения потока), а также определяет возможности размыва русла в зависимости от литологического состава пород, которые его слагают. Регулировать дебит реки при организации и последующей рекультивации отвала возможно за счет глубины и ширины водотока.

Рис. 2. Зависимость изменения величины не-размываемого уклона водотока от расхода воды для суглинков: 1 - п = 0,0225; Ь = 10 м; V = 0,8 м/с (суглинок); 2 - п = 0,040; Ь = 10 м; V = 0,8 м/с

С точки зрения размыва русла казалось бы опасности быть не должно, т.к. величина уклона поверхности гидроотвала будет меньше, чем уклон тальвега долины, но надо учитывать литологический состав пород, слагающих русло. За время функционирования морфосистемы долины в русле ручья оставались песчаные и гравелистые породы. Берега задернованы или заросли кустарником. В гидроотвал, поверхность которого должна быть основанием русла реки, намываются чаще всего суглинки и супеси. Их размывающая скорость значительно ниже, чем гравийно-галечни-ковых пород. Следовательно, уклон водотока должен исключать такую скорость течения, которая бы была выше величины неразмываемой скорости пород, слагающих основание.

Уклон русла водотока, устойчивого к эрозионному размыву, можно установить из уравнения Шези, который установил зависимость между расходом воды, уклоном, формой и размерами поперечного сечения потока:

V = с4я1,

где V - скорость потока, м/с; I - уклон русла, дол. ед.; С- коэффициент Шези:

по формуле Манинга С =1 Я16,

п

где п - коэффициент шероховатости; Я -гидравлический радиус потока.

Величина Я определяется в зависимости от смоченного периметра потока (Ь+2Н) и площади сечения потока:

я = _Ь±_

2Н + Ь

где И - глубина потока, м; Ь - ширина потока, м.

В результате скорость потока можно представить в виде:

№

Г \ п \ : У=1/Лпг(§ +

1 \ Г> I м1 ' ■

0 ... . _ ^ Л- N.

) 5 4

V =

Ж

ЬИ

),667

; м/с

* ол

(1)

п у2И + Ьу Эта зависимость не позволяет учитывать влияние расхода воды в водотоке на уклон поверхности, тогда по известной зависимости Q = «V = ЬИV выразим величину И и подставим в исходное выражение (1), после преобразования получим

I = V2 • п2

2 ЬV

~ь+О"

(2)

Подставляя в это выражение величину неразмывающей скорости для соответствующих пород основания водотока и величину расхода воды в период паводков в верховьях, низовьях или в любых других точках водотока с учетом коэффициента шероховатости и ширины потока, можно определить величину уклона тальвега, обеспечивающего исключение размыва пород основания. На рис. 2 представлена зависимость изменения величины неразмываемого уклона водотока в зависимости от величины расхода воды.

Не допуская эрозионный размыв русла водотоков, которые будут протекать по поверхности рекультивируемых гидроотвалов, в то же время необходимо исключить их заиление. Принимаем положение, что глинистые (до 0,005 мм) и пылеватые

частицы (0,005-0,05 мм) не должны оседать в русле водотока (из-за трудности его восстановления), а должны уноситься потоком.

Для того, чтобы исключить заиление канала (русла водотока) необходимо соблюдение условия, что

ЬШ

L v h-100

— = K-------

V W

или

V = -

V = -

V =

bh

n V 2h + b L-W

100-K - h Q = bhV

После преобразований получим

\2 ^ _ „ „N 1,334

I ' =

L - W - b-V - пл

2 bV_

+ Q

(3)

100 • к • о

Таким образом, установлены зависимости для определения диапазона величи-

ны уклона тальвега долины для пропуска водного потока конкретной морфосисте-мы

12 / \ 1,334 / \ 1,334

I 2 ЬV ) т тг2 2 (2 ЬV

I- +—I < I < V п I- + —

IЬ О ) IЬ О

(4)

Это условие можно представить в виде

100И•к

где Ь - длина канала, м; V - скорость движения потока, м/сек; К - коэффициент, учитывающий глубину потока, 0,5^10; И - глубина потока, м; Ш - гидравлическая крупность частиц, оседание которых необходимо избежать, см/сек.

Учитывая полученную ранее зависимость (1) между величиной уклона и параметрами водотока, можно составить систему уравнений для определения величины уклона Г, исключающего заиливание канала:

у/Г^ ( 7 7 Л0>667

С

V2 п 2\ - +

2 bV

1,334

b Q L - W - b

< I < V2 n2

2 bV_

~b + ~Q

1,334

(5)

где C = \

ч100 - K - Qy С точки зрения обеспечения нормального функционирования восстанавливаемого водотока (обеспечения пропуска воды), величина неразмываемого уклона должна быть больше уклона, исключающего его заиливание. Это соответствует условию, что C < 1. В том случае, когда величина C > 1 при соответствующих значениях параметров его определяющих произойдет или начнет происходить заиление русла. В принципе, это не приведет к каким-то значительным негативным последствиям, т.к. в результате заиления произойдет изменение параметров поперечного сечения русла (b или h), но в таком случае (при Q = Const) возрастет скорость течения в этом сечении потока. Увеличение скорости в определенный период доведет ее значения до размывающей и отложенный ил будет перемещаться вниз по течению. Произойдет эффект самоочищения реки.

Ф9

45

0,25

Т~ . _ >я

1 / pjMi) , г / {'~{4юк-а] у

_/ У J у/

i50°

Рис. 3. Графическая зависимость изменения величины коэффициента С от длины восстанавливаемого водотока: 1 - Q = 3,17 м3/с; 2 - Q = 5,00 м3/с; 3 - Q = 11,10 м3/с

Геоморфологический анализ территории, подлежащей рекультивации

Историко-генетический анализ Установление основных рельефоформирующих процессов, реликты рельефа Исследование индивидуального развития морфосистемы объекта рекультивации и определение ее основной функции

1 г

Определение преобладающих рельефообразующих процессов, задачи рекультивации (для Кузбасса - флювиальные процессы, пропуск водных потоков)

і г

Расчет параметров тальвега долины в соответствии с величиной расхода водотока:

1, 100 к-о ; и О )

I

Определение уклона склонов доли» соответствии с величиной водосбор осно I <У2 п2- ы (рекультивируемой поверхности) в я и литологическим составом пород вания 2+ііГ ь <2 )

г

Построение рельефа рекультивируемой поверхности для экологически адекватной рекультивации

і г

Определение направлений рскультивационных работ и дальнейшего использования земель в зависимости от их положения в природно-техногенном территориальном комплексе (геоморфосистеме)

1 г

Расчет экологического предела вместимости долинного гидроотвала ;

Рис. 4. Укрупненный алгоритм расчета параметров техногенного рельефа при рекультивации долинного гидроотвала и его экологического предела вместимости

Графическая зависимость изменения величины коэффициента С от протяженности водотока при различных значениях дебита воды представлена на рис. 3.

В том случае, когда величина неразмы-ваемого уклона водотока (например, р. Еловка) при дебите 11,1 м3/с, а основанием являются суглинки, составляет 0,00029 (см. рис. 2). При этом величина коэффициента С для этого же потока при длине восстанавливаемого русла порядка 1500 м составляет 0,66, то незаиливающая величина уклона русла будет I = 0,00019. Следовательно, уклон русла может изменяться в диапазоне 0,00019 < I < 0,00029.

Процесс заполнения гидроотвала вскрышными породами постепенно вы-полаживает уклон русла водотока. Со временем он может приблизиться к величине уклона незаиливающего. Именно величина незаиливающего уклона водотока ограничивает приемную способность долины по тому же критерию - восстановление функции речной долины в морфосистеме региона.

В том случае, если величина незаиливающего уклона водотока не будет обеспечена, т. е. фактический уклон поверхности рекультивируемого отвала будет меньше, то пропуск воды не будет обеспечен уклоном русла и вся поверхность будет заболачиваться.

Для исключения подобного явления необходимо ограничить объем укладываемых в гидроотвал пород. Таким образом, определенный объем вскрышных пород, уложенный в гидроотвал, который позволяет восстановить главную функцию рельефа долинного гидроотвала по пропуску осадков и не нарушает эрози-

онно-аккумулятивную деятельность водотока, протекающего по тальвегу долины, можно назвать экологическим пределом вместимости долинных гидроотвалов.

Для определения экологического предела вместимости долинного гидроотвала необходимо:

• определить в соответствии с установленной зависимостью величину незаиливающего уклона русла основного водотока и его притоков (если они существуют);

• рассчитать неразмываемый уклон склонов, опирающихся на тальвег долины;

• построить техногенный рельеф поверхности гидроотвала, который должен быть после экологически адекватной рекультивации;

• на основании сравнения рельефа долины до размещения в ней гидроотвала и экологически адекватного техногенного рельефа после рекультивации, определить объем пород, который возможно разместить в долине, не нарушая ее основную функцию в морфосистеме региона. Объем пород, ограниченный поверхностью рельефа долины до размещения в ней гидроотвала, поверхностью техногенного рельефа гидроотвала, который должен быть после экологически адекватной рекультивации и дамбой обвалования гидроотвала, является экологическим пределом вместимости долинного гидроотвала.

Предел вместимости долинного гидроотвала должен определяться на стадии его проектирования. Укрупненный алгоритм расчета параметров техногенного рельефа при рекультивации долинного гидроотвала и его экологического предела вместимости представлен на рис. 4.

— Коротко об авторах --------------------------------------------------------------------

Кононенко Е.А. - доктор технических наук, профессор, кафедра «Технология, механизация и организация открытых горных работ», Московский государственный горный университет, Протасов С.И. - кандидат технических наук, директор НФ Кузбасс-НИИОГР,

МироненкоА.Т. - начальник Беловского ГТО Ростехнадзора.

© Н.Г. Кафидов, 2005