CC BY
22ЭКОЛОГИЯ
Пендюрин Е. А., канд. с.-х. наук, доц., Старостина И. В., канд. техн. наук, доц., Смоленская Л. М., канд. хим. наук, доц. Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЧВ И ПОДСТИЛАЮЩИХ ПОРОД В РАЙОНЕ КАРЬЕРА ЗАО «БЕЛГОРОДСКИЙ ЦЕМЕНТ» С ЦЕЛЬЮ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ
ПРИ РЕКУЛЬТИВАЦИИ
pe@intbel.ru
Изучены и проанализированы возможные способы рекультивации отработанных карьеров. Приведены экспериментальные данные о свойствах почв и подстилающих пород ЗАО «Белгородский цемент», позволяющие рекомендовать их в качестве противофильтрационного экрана и материала-наполнителя для заполнения свободного пространства карьерной выемки при техническом этапе рекультивации отработанного участка. Рекомендованы наиболее оптимальные виды древесно-кустарниковой растительности.
Ключевые слова: карьер, рекультивация, мелиорация, вскрышные породы, суглинки, почвы, физико-химические показатели, минералогический состав, древесно-кустарниковая растительность.
Территория Белгородской области в той или иной степени является техногенно нарушенной, поскольку на ее территории находится 328 карьеров, в том числе 84 отработанных. Кроме того, на 176 бесхозных карьерах продолжается несанкционированная добыча песка и глины, в том числе и различными подрядными организациями, а на бездействующих - устроены свалки. На территорию Белгородского района приходится 22 карьера [1], одним из них является сырьевой карьер ЗАО «Белгородский цемент». Проблема рекультивации территорий после промышленного использования обсуждалась на заседании рабочей группы по реализации областного проекта «Зелёная столица».
Известно, что в процессе разработки карьеров при добыче полезных ископаемых, происходит изъятие огромных массы горных пород, вмешательство в сформировавшуюся миллионами лет геологическую среду, что приводит к последовательному развитию следующих событий:
- ослаблению горного давления внутри напряженного массива;
- формированию полостей окисления природных агентов;
- образованию провалов земли на поверхности;
- активизации эрозии почв;
- нарушение первичных природных условий окружающей среды.
Неблагоприятное воздействие карьерных разработок отрицательно сказывается не только
на потерях земель различного назначения (сельскохозяйственных, лесохозяйственных, водохозяйственных, рекреационных и других), но и на качественных и количественных изменениях состояния окружающей среды и здоровье близко проживающего населения. Отсюда возникает необходимость возврата нарушенных карьерными разработками земель в рациональный хозяйственный оборот при непременном условии минимизации и ликвидации вредного влияния на окружающую среду. На эти цели направлены различные технологии и способы рекультивации карьеров и прилегающих к ним нарушенных земель. Существующие технологии рекультивации далеко не во всех случаях учитывают природные условия расположения карьеров и не обеспечивают выбор научно-обоснованных направлений и способов их использования и рекультивации. Согласно этим технологиям преимущественно рассматриваются лишь отдельные, субъективно выбранные элементы работ по рекультивации, часто в отрыве от решения вопросов охраны рекультивированных земель, их восстановления и обновления.
Преобразование нарушенных в результате производственной деятельности земель в состояние, пригодное для использования их в народном хозяйстве, предотвращение их отрицательного воздействия на прилегающие ландшафтные комплексы, охрана этих комплексов, оптимизация сочетания техногенных и природных ландшафтов достигается рекультивацией нарушенных земель. Рекультивация относится к меро-
приятиям восстановительного характера и рассматривается, в первую очередь, как основное средство воспроизводства земли.
Выделяются следующие направления рекультивации [2]:
- сельскохозяйственное - с целью создания на нарушенных землях сельскохозяйственных угодий;
- лесохозяйственное - с целью создания лесных насаждений различного типа;
- рыбохозяйственное - с целью создания в понижениях техногенного рельефах рыбоводческих водоемов;
- водохозяйственное - с целью создания в понижениях техногенного рельефах водоемов различного назначения;
- рекреационные - с целью создания на нарушенных землях объекта отдыха;
- санитарно-гигиенические - с целью биологической или технической консервации нарушенных земель, оказывающих отрицательно воздействие на окружающую среду, рекультивация которых для использования в народном хозяйстве экономически неэффективна или нецелесообразна в связи с относительной кратковременностью существования и последующей утилизацией этих объектов;
- строительное - с целью приведения нарушенных земель в состояние пригодное для промышленного и гражданского строительства.
В зависимости от направления рекультивации работы выполняются в два этапа - технический и биологический. Технический этап рекультивации отработанных карьеров проводится двумя методами:
- созданием устойчивого ландшафта путем выполаживания склонов и планировки территории с проведением противоэрозионных мероприятий под лесопосадку или высев трав;
- заполнением свободного пространства карьерных выемок, созданием задернованного пологого холма путем фитомелиорации.
Биологический этап включает комплекс агротехнических и фитомелиоративных мероприятий, направленных на улучшение агрофизических, агрохимических, биохимических и других свойств почв. Период биологического этапа рекультивации нарушенных земель определяется рядом условий: мощностью и качеством нанесенного плодородного слоя почвы и потенциально-плодородных пород; биологическими особенностями возделываемых культур, последующим хозяйственным использованием рекультивируемых земель и условиями их увлажнения [3]. Подбор культур определяется биологическим направлением рекультивации, геологическими и природно-климатическими услови-
ям. Предусматривается обязательный уход за посадками, особенно в течение первого года. Откосы отвалов рекультивируют путем посева многолетних трав и противоэрозийной посадки легко приживающихся культур кустарников и деревьев. Биологический этап рекультивации включает в себя комплекс агротехнических мероприятий на откосах (склонах) и планируемых территориях. Биологическая рекультивация является завершающим этапом восстановления нарушенных земель после полного завершения технического этапа.
Восстановлению нарушенных земель должны предшествовать работы по геолого-почвенному обследованию нарушаемой и восстанавливаемой территории и обоснованию направления рекультивации.
На основании исследований физико-механических и химических свойств вскрышных и вмещающих пород производится оценка их пригодности для экологической рекультивации отработанных карьеров.
Целью данной работы является исследование основных свойств вскрышных пород и почвы верхнего плодородного слоя, образующихся при разработке сырьевого карьера ЗАО «Белгородский цемент», и определение возможности их использования для рекультивации отработанной части карьера.
В географическом отношении район месторождения приурочен к западной части СреднеРусской возвышенности, где наряду с современными формами рельефа сохранились следы древнего ландшафта. Участок месторождения приурочен к водораздельному плато, расчлененному сетью глубоких оврагов. Эта площадь относится к бассейнам рек Северский донец и правого ее притока - реки Везелки. Правый берег реки Северский донец, где расположен участок, крутой и довольно резко возвышается над поймой. В южном направлении от участка на расстоянии 800-1000 м протекает река Везелка, ширина ее 1 - 2,5 м при глубине 0,5 - 1,6 м [1]. Участок месторождения мела имеет благоприятные горнотехнические условия для открытой разработки. Поверхность участка относительно ровная, открытая, с общим уклоном в южном направлении ограничена с востока и запада оврагами. Абсолютные отметки поверхности изменяются от 185,0 до 212,8 м. Площадь земельного отвода составляет 285,6 га, в том числе площадь карьера - 281,1 га.
Геологическое строение участка сравнительно простое. Основное полезное ископаемое - мел, представляет собой горизонтальную залежь большой мощности. Отметки подошвы меловой толщи повторяют собой зеркало грунто-
вых вод и колеблется от 123,0 м у границы действующего карьера до 126,0 м на севере участка. Мощность полезной толщи изменяется от 29,3 до 49,3 м при средней - 40,9 м. Мел перекрыт, в основном, глинистыми породами, а также песками, песчаниками и суглинками. Мощность этих пород, являющихся вскрышными, изменяется от 6,3 до 48,3 м. В верхней части залегают глины и суглинки, пригодные для производства цемента. Средняя мощность для глины достигает 7,5 м, для суглинок - 23,0 м. Мощность поч-венно-растительного слоя изменяется от 0,1 до 0,3 м.
Разработка месторождения ведется открытым способом с использованием экскаваторов без буровзрывных работ. Почвенно-растительный слой удаляется самоходными скреперами и складируется в специальных отвалах - складах временного хранения СВХ-1 для последующего использования при рекультивации нарушенных земель. Вскрышные породы вывозятся во внешние отвалы - склады временного хранения СВХ-2, расположенные с восточной стороны карьера в выработанном простран-
Физико-химичес
стве отработанного Гриневского карьера, и во внутренние отвалы.
Анализу подвергались как почвенные образцы, так и образцы вскрышных пород. Отбор проб производился стандартным методом квартования на складах временного хранения: СВХ-1 - склад почвы и СВХ-2 - склад вскрышных пород.
Полученные экспериментальные данные показали (табл.1), что, исследуемые пробы почв, предполагаемые к использованию для последующей рекультивации отработанного карьера, представлены в основном черноземами малогу-мусными, щелочными и слабощелочными, с невысокой емкостью катионного обмена, хорошим структурным состоянием. Что свидетельствует о необходимости их предварительного восстановления с целью снижения уровня рН до нормативных значений, повышения содержания гумусовых веществ, увеличения плодородия и емкости катионного обмена путем проведения необходимых мелиоративных мероприятий - гипсованием, нейтрализацией кислыми видами химических мелиорантов и внесением органических и минеральных удобрений.
Таблица 1
показатели почв
Вид почвы рН водной вытяжки рН солевой вытяжки Содержание гумуса, % Емкость катинно-го обмена, ЕКО, мг-экв/100 г Структурное состояние
% относительные единицы
Анализируемая почва 7,89 7,55 2,75 13,79 74 хорошее
Идеальная почва 6-7 6-7 4-6 30-40 70-80 хорошее - отличное
Вскрышные породы сырьевого карьера ЗАО «Белгородский цемент», по месту отбора проб на территории карьера и по минералогическому составу можно разделить на две группы:
- желто-коричневого цвета, отобранные в нижнем складе для рекультивации СВХ-2, характеризуются как суглинки запесоченные с включениями карбонатов и тонкодисперсного кремнезема в количестве от 20 до 60%;
- красно-коричневого цвета, условно названные как суглинки-красные, отобранные с верхнего участка склада для рекультивации СВХ-2, - полиминеральные с содержанием свободного кремнезема 20-25%.
По результатам рентгено-фазового анализа минералогический состав отмытой части вскрышных пород первой группы после удаления крупнодисперсного кремнезема представлен следующими компонентами (рис. 1):
- монтмориллонит ((А1,М§)2(ОН)2[Б14О10]Н2О) а(А) = 15,107; 5,591; 4,518; 3,534.
- глауконит (КТе3+,Ре2+,А1,М§)2-з[81з(81,А1)О1о](ОН)2-пЫ2О - а(А)= 10,589; 4,518; 3,731; 2,56.
- иллит (К<1А12[(А1,81)4Ою](ОН)2-пН2О или бейделлитизированная гидрослюда - образование между мусковитом и каолинитом.
- СаСО3 а(А)= 3,892; 3,043; 2,56; 1,935; 1,871;
- Б1О2 а(А)= 4,291; 3,363; 2,465; 2,29; 1,985; 1,824.
ййз
ГОЛ : ЛпТ 1 ЙО\оо:т ГС1"1- ш '
■с гггй' £ 1
■ - монтмориллонит
□ - яю2
# - СаСОз О - глауконит X - иллит
•а а*»"
■Й.....
ч I о чп я Км*- ^
Рисунок. 1. Результаты рентгено-фазового анализа суглинков запесоченных
Глинистая составляющая запесоченных суглинков может быть охарактеризована как полиминеральная с преобладанием гидрослюдистых компонентов с включениями карбонатов кальция и тонкодисперсного кремнезема.
Вскрышные породы, условно названные суглинки красные согласно результатам рентгено-фазового анализа представлены следующими компонентами (рис. 2):
- монтмориллонит ((Al,Mg)2(OH)2[Si4O10]H2O) d(A) = 17,159; 15,237; 5,539; 4,518; 3,520; 3,215; 1,713.
- глауконит (K(Fe3+,Fe2+,Al,Mg)2-з[Siз(Si,Al)O1o](OH)2•nH2O - d(А)= 10,464; 4,518; 3,731; 2,898; 2,578; 2,074. Глауконит относится к минералам из группы железистых гидрослюд переменного состава, моноклинной сингонии.
- СaCOз d(А)= 3,883; 3,048; 2,529; 2,29; 2,103; 1,918; 1,877;
- SiO2 d(А)= 4,281; 3,363; 2,468; 2,29; 1,987; 1,824; 1,675.
Вскрышные породы данной группы можно охарактеризовать как суглинки полиминеральные монтмориллонит-гидрослюдистые с включениями карбонатов кальция и тонкодисперсного кремнезема.
г-1 — 1 п п ■ - монтмориллонит □ ЯЮа #-СаСОз О - глауконит X - иллит
■ ■ г- !н □ СО N •
° п ■ "п ' ■ 3 V ^ ^ Д. 1в*95 Е га 1 "Гт« су»I 3 • ни¥ ° 1т 1 . х А1^ о со в ® « . ^ N 0 N р. "1-|п «ой с т ^ф^ Й ® Л 1 :[ N Д Г ........ □ ......... п •* Я ; □ Г- Ж СО ■ т ' ^ 1 й Н 1
4.00 8.0 16.0 24.0 32.0 40.0 4В.0 56.00
Рисунок. 2. Рентгенограмма вскрышных пород суглинков красных Суглинки красные характеризуются как ту-гопластичные, полутвердые и твердые, с плотностью 1,8-2,07 т/м3 при естественной влажности 14 - 26%. Пористость - 35,4-46,3%; сцепление при сдвиге - от 0,360 до 1,325 кг/см2, угол внутреннего трения - от 7 до 28°. По гранулометрическому составу - как тонкодисперсные, содержание пылевидной фракции составляет 41 -65%. Обладают низким коэффициентом фильтрации - (0,1-0,7 м/сут), что позволяет использовать их для сооружения противофильтрацион-ного экрана при осуществлении технического этапа рекультивации отработанного карьера с целью снижения возможности загрязнения грунтовых вод.
Так как осуществление технического этапа рекультивации отработанного сырьевого карьера ЗАО «Белгородский цемент» предполагается щелочными почвами и вскрышными породами,
что прямым образом влияет на выбор пород древесно-кустарниковой растительности при осуществлении биологического этапа рекультивации отработанной части карьера - фитомелио-рации.
Поэтому для реализации биологического этапа рекультивационных работ можно рекомендовать следующие породы древесных и кустарниковых культур: клен серебристый, клен татарский, лох узколистный, береза бородавчатая, вяз, акация белая, акация желтая, тополь, ива, сосна, боярышник, бузина и смородина золотистая. Для формирования экологически устойчивых зеленых насаждений возможно создание смешанных парковых зон с использованием культур в следующем соотношении: главные породы - до 60%, сопутствующие - до 20%, кустарники - до 20% [4].
Таким образом, проведенные исследования позволяют сделать вывод о возможности использования вскрышных пород двух видов со склада CВХ-2 сырьевого карьера ЗАО «Белгородский цемент» в качестве противофильтраци-онного экрана и материала-наполнителя для заполнения свободного пространства карьерной выемки при осуществлении технического этапа рекультивации отработанного участка. Почвы верхнего плодородного слоя могут использоваться в исходном состоянии либо с применением различных методов восстановления плодородия мелиорантов для окончательной подготовки поверхности нарушенных земель. А также для осуществления биологического этапа рекульти-вационных работ возможно использование типичных для Белгородской области деревьев и кустарников, которые районированы для данных территорий, и не требуют значительных материальных и трудовых затрат при их выращивании.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Атлас «Природные ресурсы и экологическое состояние Белгородской области». Учебно-справочное картографическое пособие. - Белгород. Изд-во: Белгородская областная типография. — 2005. — 180 с.
2. Моторина, Л.В. Экологические основы рекультивации земель / Л.В. Моторина, А.М. Савич — М.: Наука. — 1985. — 183 с.
3. Черкова, Н.М. Экологические основы рекультивации земель / Н.М. Черкова. — М.: Наука. — 1985. — 183 с.
4. Бекаревич, Н.Е. Рекультивация земель / Н.Е. Бекаревич. Сб. науч. тр. — Днепропетровск: ДСХИ. — 1987. — 187 с.
