CC BY
70
УДК 622.775
ЭВОЛЮЦИЯ ТЕХНОЛОГИЙ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ
В.И. Голик, А.Ф. Еналдиев,
Северо-Кавказский горно-металлургический институт (технический университет)
Ул. Космонавта Николаева, 44, 362021, Владикавказ, РСО-Алания, Россия
В.А. Полежаев
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова Ленинские горы, ГСП-1, 119991 Москва, Россия
Приведены сведения об эволюции горных технологий от примитивного собирательства до современных природоохранных. Систематизированы аспекты негативного влияния технологий на окружающую среду. Обозначены направления совершенствования технологий добычи руд.
Активное воздействие горного дела на окружающую среду насчитывает около 10 тыс. лет. Совершенствующиеся технические возможности исследований со временем увеличивают глубину наших представлений о технологиях древности. Масштабы влияния горного дела определяются разрушающими возможностями технологий и количеством извлеченных из недр минералов.
Подземная добыча меди стала известна человеку примерно 10-15 тыс. лет. Медные рудники Египта, затем Испании, Рима, Центральной Европы считаются колыбелью технологии добычи шахтным способом.
Рудники с четко выраженной технологией работ эксплуатировались на Синайском полуострове в эпоху фараонов около уже 3 тыс. лет до н.э. Дальнейшее развитие открытой и подземной добычи связано с добычей золотых и серебряных руд в Египте, Китае, Индии, Америке, Европе, Ближнем Востоке. Так, на Лаврийских рудниках уже 3 тыс. лет назад строго регламентировались правила разработки шахт глубиной до 120 м с диаметром полости поверху до 50 м. При этом число рядом расположенных шахт доходило до 1000. Неоставление целиков каралось смертью.
Открытые разработки начались с собирания и придания режущей формы кремню, который в течение миллионов лет был источником огня и использовался в качестве сырья при производстве орудий труда и оружия.
Современные технологии добычи полезных ископаемых принципиально не отличаются от освоенных человечеством в ходе разработок меди, серебра, золота, железа и соли. Исключение составляют появившиеся сравнительно недавно специальные способы добычи, основанные на выборочном растворении нужного компонента и выносе его в составе раствора на земную поверхность, не извлекая руду из недр (активно разрабатываемые научной школой профессора А.Е. Воробьёва). Существенное развитие эти способы получили во второй половине прошлого столетия при добыче меди, золота, урана, молибдена, серебра и неко-
торых других элементов. В близкой перспективе такими технологиями будет добываться более половины урана России.
Открытые разработки угля начались после нашествия гуннов на Европу в УШ-1Х вв. н.э., а подземные — несколько столетий позже.
Технологии добычи полезных ископаемых различаются применяемыми орудиями производства, которые отражают технический уровень своего времени. В течение тысяч лет инструментом горняка были кремневая кирка и кайло из рога оленя. Их сменили медные зубила, забиваемые каменными молотками. Около 5 тыс. лет назад на вооружении горняков появились бронзовые орудия, связанные с освоением в Испании олова. Древние металлурги Европы, Америки и Дальнего Востока открыли бронзу независимо друг от друга.
Бронза уступила место железным инструментам: клиньям и кайлам. Орудия из космического железа известны 4 тыс. лет до н. э., однако добыча земного железа стала доступной около 3 тыс. лет назад. Закаливание поверхности железного инструмента резко увеличило его прочность. С тех пор стойкость инструмента повышается за счет добавки к железу осваиваемых металлов. В течение тысяч лет породы разрушали ударами вначале тупым, затем заостренным инструментом, используя трещины в породах.
Воздействие горного дела на биосферу осуществляется через техногенные катастрофические явления: нарушение земной поверхности, изъятие из оборота земель; уничтожение лесов для получения крепежных материалов; ослабление особо уязвимых зон (тундры, полярных областей и т.п.).
Геохимическое воздействие горного дела на окружающую среду имеет комплексный характер: накопление промышленных отходов; рассеивание антропогенных продуктов (свободных металлов); загрязнение воздуха сернистым ангидридом и углекислым газом; вынос биогенных элементов из почвы с урожаем; вспашка как ускоритель взаимодействия экосистем с загрязнителями.
Последствия загрязнения окружающей среды продуктами горного дела проявляются в промышленных центрах. Так, по содержанию тяжелых металлов в окрестностях ОАО «Электроцинк» (г. Владикавказ, РСО-Алания) контур сум-марного «опасного» загрязнения занимает площадь в 70 км", «высоко опасного» — 15 км' и «очень высокого и чрезвычайно опасного» — 5 км2, и только в радиусе 10-12 км от города снижается до допустимого уровня. Вокруг завода выделяется ореол площадью около 40 км', в пределах которого содержание металлов в почвах на порядок превышает фоновую концентрацию. Содержание металлов в волосах городских детей на порядок превышает этот показатель у детей, живущих в сельской местности. Влияние завода испытывает биосфера всех регионов Кавказа, расположенных по течению Терека и страны Каспия.
В г. Владикавказе с 1987 по 1997 г. показатель рождаемости на 1000 населения снизился с 20 до 10 случаев, а показатель смертности увеличился с 8 до 12 случаев. Фактическая лесистость бассейнов рек РСО-Алания не превышает 3-15% при расчетной величине 30%. Показатель загрязненности почв или отношение содержания металлов в почве к фоновому для меди достигает 4, для свинца — 7, кадмия — 2,6. Особенно загрязнен пахотный горизонт в прилегающем к садонским месторождениям Алагирском районе. В исторически известных садах поселка У нал, вблизи которого расположено хранилище отходов обогащения садонских руд, показатель загрязненности достигает величины 34%.
К настоящему времени освоено более половины территории Земли: 4% занято городами, промышленными объектами, рудниками, дорогами и инженерными сооружениями, 13% — пашнями, садами и плантациями, 25% — пастбищами и лугами, 5% — искусственными лесонасаждениями и т.д. Остальная территория Земли (зоны Арктики, Антарктики, пустынь, полупустынь, высокогорья, болота и пр.) является перспективой размещения горных предприятий и уже начата разведкой и освоением месторождений полезных ископаемых (например, комбинат «Норильский никель»).
Загрязнение почв вследствие увеличения концентрации веществ в окрестностях горных предприятий подразделяют на физическое, химическое, биологическое и радиоактивное. В результате сорбции тяжелые металлы легко накапливаются в почвах, но трудно выводятся. Периоды естественного выведения из почвы составляют: кадмия — 100 лет, цинка — 500 лет, меди — 1500 лет, свинца — несколько тысяч лет.
Воздействие горного дела на литосферу со временем охватывает все большую площадь земной поверхности, что определяется рамками земельных отводов, и проникает в глубь планеты, что регламентируется границами горных отводов. Глубина строительных котлованов достигает 100 м. тоннелей 2000-2500 м, горных работ — 4000 м. Антропогенное воздействие обусловливает возникновение и развитие принципиально новых геологических процессов, приводящих к закономерным изменениям состава, состояния и всех свойств недр (например, промышленные атомные взрывы).
Вовлечение в переработку полезных ископаемых предполагает выход в хвосты от 30-40 до 99,9% добытой горной массы. И если расширение площадей хвостохранилищ приводит к нарушению растительного и почвенного покрова, то увеличение их высоты создает благоприятные условия для образования пыли и загрязнения биосферы на протяжение сотен километров. Из общей площади отводов 20% занимают карьерные отвалы, 13% — хвостохранилища обогатительных фабрик, 5% занято отвалами и отходами, 3% превращено в непригодные земли вследствие разрушения земной поверхности. В среднем под породные отвалы отводится 0,1 га площади земли на 1000 т сырья.
Технологии разрушения литосферы претерпели многовековую эволюцию. Вплоть до XIX в. древние горняки в качестве основного способа разрушения пород применяли пожог. Температура сжигаемого топлива ослабляла минеральные связи, поэтому порода разрушалась или менее сопротивлялась сколу. Эффект пожога усиливали быстрым охлаждением раскаленных пород холодной водой и забиванием железных клиньев. В XVII в. для разрушения массива был применен вначале малоэффективный черный порох, а в XVIII в. — динамит на основе нитроглицерина. Взрывной способ разрушения приобрел господствующую роль и развивается вслед за развитием физических и химических технологий, включая использование ядерных взрывов.
Особенностью горнодобывающего комплекса являются техногенные землетрясения и горные удары. Существует коррелятивная связь между масштабами горных работ, объемами складируемых пород и силой горного давления. Только в 1978-1990 г. на рудниках ПО «Апатит», произошло свыше 20 горных ударов. Сила удара, который классифицирован специалистами как техногенное землетрясение, на Кировском руднике достигала 6 баллов.
Показатели разработки месторождений в зоне сейсмического воздействия связаны с геодинамическими процессами. При разработке месторождений напряжения в массиве повышаются до уровня критических с ухудшением качественных показателей использования недр. Состояние скальных массивов при добыче руд определяется не только объемом природных и техногенных пустот, технологией и временем существования пустот, но и влиянием природных процессов. Так, в РСО-Алания крупная группа Садонских месторождений расположена в зоне повышенной активности. В недрах месторождений образовано до 5 млн м3 ничем не заполненных пустот. Такой объем пустот не только реагирует на изменения геодинамической и сейсмической ситуации в регионе, но и сам оказывает влияние на окрестности. Сейсмическая опасность массивов понимается как система управления риском спровоцированного технологией сейсмического колебания разной интенсивности за определенный промежуток времени.
Сберегающие литосферу технологии современности основаны на принципе сохранения земной поверхности от разрушения горными работами посредством управления геомеханической сбалансированностью массива не только в период выемки руд, но и спустя любое время по окончанию работ. Природоохранная сущность новых технологий современности состоит в закладке пустот твердеющими смесями и хвостами выщелачивания металлов из руд на месте залегания.
Влияние горного дела прежде всего на литосферу Земли определяется размерами рудничных полей и выработок, площадью подработки, объемом выемки горной массы и соотношением отбитых в недрах и выданных на поверхность минеральных масс.
Древнейшие выработки — шурфы —достигали 20-30 м глубины при сечении 1,5-2 м поверху и 1 м внизу. К шурфам примыкали штреки размерами до 1 м.
В средние века выработки пиренейских и балканских рудников имели ширину до 0,5 м при высоте 1 м. В середине прошлого века глубина шахт уже достигала 300 м. Так, в окрестностях горняцкого города Европы в XV в. в эксплуатации находились уже одновременно 144 штольни общей длиной 222 км, 250 забоев с системой вентиляции и механизированного водоотлива.
В настоящее время рудничные поля достигают десятков километров по простиранию и восстанию, а их горизонты достигают глубины 5 км (Индия, ЮАР). Суммарная длина горных выработок среднего рудника составляет 150-200 км.
В криолитовой зоне, занимающей до 40% территории России, в результате теплового воздействия при техногенном вмешательстве идет деградация мерзлых толщ. Так, в г. Воркуте мерзлая толща потеряла 25% первоначальных запасов холода, поэтому верхняя часть многолетнемерзлых пород опустилась, что вывело из строя более 60% зданий и сооружений.
Горные технологии являются инструментом воздействия на окружающую среду, сила которого превышает природные геологические процессы, поэтому их совершенствование является приоритетным направлением современной инженерной мысли.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бубнов В.К., Спирин Э.К, Воробьёв А.Е. и др. Теория и практика добычи полезных ископаемых для комбинированных способов выщелачивания.—Целиноград: Жана-Арка, 1992.
2. Воробьёв А.Е., Лобанов Д.П. Приоритетные пути развития горнодобывающего и перера-
батывающего комплекса Северо-Кавказского региона / Под ред. К.Н. Трубецкого. — Владикавказ, 1998.
3. Воробьёв А.Е. Человек и биосфера. Основы взаимодействия, эволюции и самоорганизации: Учеб. пособие / Под ред. Пучкова Л.А. — М.: МГТУ, 1998.
4. Пучков Л.А., Воробьёв А.Е. Человек и биосфера: вхождение в техносферу: — М.: МГГУ,
5. Козырев Е.Н., Воробьёв А.Е. Конверсия рудников Северного Кавказа на физикохимическую геотехнологию получения металлов /Под ред. проф. А.Е. Воробьева. — Владикавказ: Ремарко, 2000.
6. Воробьёв А.Е., Каргинов К.Г., Козырев Е.Н. Шахтное подземное выщелачивание полиметаллических руд/Под ред. А.Е. Воробьёва. — Владикавказ: Терек, 2003.
7. Воробьёв А.Е. Чекушина Т.В., АшихминА.А. Научно-методологические основы организации производства полиметаллов технологиями подземного выщелачивания / Под ред. А.Е. Воробьёва. —М.: Изд-во РУДН, 2004.
8. Воробьёв А.Е., Пучков Л.А. Человек и биосфера: глобальное изменение климата: Учебник. Ч. I., II. — М.: Изд-во РУДН, 2006.
EVOLUTION OF TECHNOLOGIES USES OF BOWELS OF THE GROUND
V.I.Golik, A.F. Enaldiev
Norlh-Caucasian Institute of Mining and Metallurgical (State Technological University) Cosmonaut of Nikolaev St., 44, 362021, Vladikavkaz, RSO-Alania, Russia
Data on evolution of mountain technologies from primitive collecting up to modern nature protection are resulted. Aspects of negative influence of technologies on an environment are systematized. Directions of perfection of technologies of extraction of ores are designated.
2000.
V.A.Polezhaev
Lomonosov Moscow State University Leninskie Gory, GSP-2, 119992, Moscow, Russia
Еналдиев Артур Федорович, кандидат технических наук, заместитель главного инженера ЗАО «Газстрой-инжиниринг» ОАО «Газпром», автор более 50 публикаций в области рационального природопользования.
Голик Владимир Иванович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой разработки месторождений полезных ископаемых СКГМИ.
Полежаев В.А. — аспирант МГУ.
