CC BY
184
УДК 622.271:622.882
КЛАССИФИКАЦИЯ И ОБОСНОВАНИЕ СХЕМ КОНСЕРВАЦИИ КАРЬЕРОВ
1 _ о
Б.Л. Тальгамер1, Е.А. Коробкова2
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет,
664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
2Черемховский государственный горнотехнический колледж,
665400, Иркутская обл., г. Черемхово, ул. Ленина, 26.
Предложена классификация схем консервации карьеров и сделан анализ условий применения различных схем в зависимости от горнотехнических и гидрогеологических параметров месторождений. Изложены требования к консервации карьеров. Приведены результаты полевых исследований законсервированных объектов, указаны преимущества и недостатки мокрого и сухого способов консервации. Предложены мероприятия, обеспечивающие сохранность полезного ископаемого, экологическую и техническую безопасность консервируемых карьеров, повышающие устойчивость бортов и интенсифицирующие процесс самозарастания. Даны рекомендации по проектированию мокрого способа консервации. Ил. 1. Библиогр. 4 назв.
Ключевые слова: способы и схемы консервации карьеров; техническая и экологическая безопасность консервации.
CLASSIFICATION AND JUSTIFICATION OF OPEN PIT CONSERVATION SCHEMES B.L. Talgamer, E.A. Korobkova
National Research Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074. Cheremkhovo State Mining and Engineering College, 26 Lenin St., Cheremkhovo, Irkutsk region, 665400.
The authors propose a classification of open pit conservation schemes and perform the analysis of the application conditions of different schemes, depending on mining-engineering and hydrogeological parameters of deposits. The requirements for conservation of open pits are given. The results of field studies of the conserved open pits are provided. The advantages and disadvantages of wet and dry methods of conservation are specified. The article offers measures to ensure the safety of mineral, environmental and engineering safety of the open pits being conserved, which increase the stability of sides and the self-vegetation that intensifies the process. The recommendations for designing the wet method of conservation are given. 1 figure. 4 sources.
Key words: methods and schemes of open pit conservation; engineering and ecological safety of conservation.
В настоящее время в России продолжается реструктуризация горной промышленности, которая сопровождается как вводом новых горнодобывающих предприятий, так и консервацией низкорентабельных объектов. В Иркутской области за последнее десятилетие было введено в эксплуатацию более сотни объектов по добыче угля, золота и нерудных полезных ископаемых, почти столько же горных выработок законсервировано, а по 38 объектам продлены сроки консервации.
В специальной литературе недостаточно внимания уделяется вопросам, связанным с консервацией горнодобывающих объектов. Опыт проектирования, а также анализ проектов консервации горнодобывающих объектов свидетельствует о недостатке необходимой нормативно-технической документации, определяющей способы, технологию и параметры консер-
вации. В связи с этим для проектировщиков и производственников актуальным является вопрос выбора оптимального способа консервации и параметров принятой технологической схемы. Упростить решение этих вопросов позволит классификация технологических схем консервации и обоснование условий их применения.
Информационный поиск и анализ способов и технологий консервации горнодобывающих объектов показал, что какая-либо их классификация отсутствует. Классификацией различных видов воздействия горных работ на окружающую среду и типизацией техногенных нарушений земельных ресурсов занимались многие ученые: Б.Н. Болотова, Ю.В. Бубис, И.И. Вашлаев, А.И. Гайдин, В.А. Галкин, В.Д. Горлов, В.С. Коваленко, В.Л. Коврыжников, В.П. Костовецкий, М.В. Костромин, В.Д. Ломтадзе, А.М. Михайлов, Ю.М.
Чальгамер Борис Леонидович, доктор технических наук, профессор, директор Института недропользования, тел.: (3952) 405197, факс: (3952) 405104, е-mail: gor@istu.edu
Talgamer Boris, Doctor of technical sciences, Professor, Director of the Institute of Exploration of Mineral Resources, tel.: (3952) 405197, fax: (3952) 405104, e-mail: gor@istu.edu
2Коробкова Елена Ананьевна, зам. директора по учебной работе, тел.: (3954) 650590, факс: (3954) 650140, е-mail: cheremgtk@mail.ru
Korobkova Elena, Deputy Director for Academic Affairs, tel.: (3954) 650590, fax: (3954) 650140, e-mail: cheremgtk@mail.ru
Овешников, В.Г. Пятаков, Г.В. Секисов, К.Е. Судаков, П.И. Томаков, К.Н. Трубецкой, В.С. Хохряков, Н.Н. Чаплыгин, В.В. Чемезов, А.Д. Элькин, Г.А. Юргенсон и др. Использование их рекомендаций для классификации схем консервации весьма затруднено из-за специфики последних.
Изучение известных технологических схем консервации позволило установить, что одним из наиболее определяющих признаков этих схем является способ сохранения запасов: засыпка или затопление. На основе этого признака ниже предлагается классификация схем консервации (рис. 1).
Сухая консервация объектов более приемлема для участков, расположенных выше уровня грунтовых вод, что упрощает карьерный водоотлив. При возможности самотечного удаления дождевых и талых вод в период консервации этот способ не требует больших затрат и является более предпочтительным.
В случаях расположения дна карьера ниже уровня
грунтовых вод более приемлем мокрый способ консервации. Этот способ становится также актуальным при отсутствии подземного притока на достаточно глубоких карьерах, дно и борта которых сложены водонепроницаемыми или мерзлыми породами. В этом случае затопление выработанного пространства может быть обеспечено за счёт притока дождевых и талых вод, а также за счёт использования поверхностного стока.
Наряду с обеспечением сохранности полезного ископаемого и горных выработок целью консервации является предотвращение и нейтрализация отрицательного воздействия нарушенных территорий на окружающую среду. Консервируемые объекты должны обеспечивать устранение либо значительное сокращение негативного влияния нарушенных земель на природу, в том числе на атмосферу, прилегающие земельные угодья, поверхностные и грунтовые воды.
Консервация должна включать:
Способы консервации
в
о
1-
р в
о о
б 1-
р
ИЕ о
е б
и н а >s о к
в п
и
X ы с
а ц ч о
о п
п с
ы
в
с
CQ О I-CL
о б
е и н а в и
X
а
о п ы в с
в о
I-
р
о б
о к
ы с ч о
ы н о
со >s
о н
X
н а ч
со
о с
К
о с
о н
а
со
н а
Ч
со
о с
в о
I-
р
о б
н а в и
X
а
ц
о п ы в
ы н о
со >s
о н
X
к ц
н а
Ч
со
о с
к
о
ц
с
о н
а
со
н а
Ч
со
о с
в о
I-
р
о б
н а в и
X
а
ц
о п ы в
Классификация схем консервации
- выбор средств консервации нарушенных земель в зависимости от состояния, состава и свойств слагаемых пород, природно-климатических условий, технико-экономических показателей;
- согласование всех мероприятий по консервации объектов с органами санитарно-эпидемиологической службы Роспотребнадзора;
- проведение мероприятий по закреплению поверхности нарушенных земель, не оказывающих отрицательного воздействия на окружающую среду;
- проведение мероприятий по предотвращению эрозии шламоотстойников, хвостохранилищ и других промышленных отвалов, содержащих токсичные вещества, с соблюдением норм Роспотребнадзора;
- закрепление промышленных отвалов техническими, биологическими или химическими способами.
В целях ликвидации отрицательного влияния на атмосферу должны быть приняты меры, обеспечивающие прекращение пылегазовых выбросов и ветровой эрозии объектов горных работ до установленных норм (ПДВ). Для ликвидации вредного влияния нарушенных земель на прилегающие земельные угодья осуществляемые меры должны обеспечить предупреждение эрозионного сноса с отвалов продуктов выветривания, загрязняющих почву.
Предложенная классификация схем консервации выделяет два способа:
- сухая консервация, при которой имеются условия для самостоятельного (самотечного) удаления воды или имеющиеся водоотливные средства остаются в действии, и обеспечивается водоотлив из горных выработок и поддержание их в состоянии, пригодном для эксплуатации и возобновления приостановленных работ;
- мокрая консервация - когда горные выработки затапливаются, работа водоотлива прекращается.
При подготовке карьерных выработок к сухой консервации необходимо предусмотреть выполнение мероприятий, предотвращающих обрушение пород. На ответственных участках неустойчивые породы рекомендуется укреплять путём цементации, анкерова-ния, устройства набивных железобетонных свай, подпорных стенок. Откосы, сложенные рыхлыми породами, целесообразно укреплять, в том числе, путём обработки 30% раствором мочевиноформальдегидной смолы (с добавкой 5%-ного раствора в количестве 56% к объёму смолы), латексами и другими острукту-ривающими веществами [1], а также посевом многолетних трав, посадкой почвозащитных кустарников.
При сухой консервации глубоких и очень глубоких карьерных выработок, используемых в рекреационных, санитарно-гигиенических и других природоохранных направлениях, может оказаться целесообразным заполнение их нижней части породой или водой. В этом случае в проектах должны быть предусмотрены противооползневые и противоэрозионные мероприятия: ограждение выработок от паводковых и ливневых вод, устройство водоотводящих канав и защитных дамб, упорядочение сброса поверхностных вод и эффективный открытый дренаж верхних водоносных горизонтов. Для безопасности людей, животных при
сухой консервации глубоких карьеров по их периметру при необходимости отсыпают ограждающий вал или сооружают проволочный забор с аншлагами.
Выполаживание консервируемого борта карьера производится с целью уменьшения угла откоса. В зависимости от конкретных условий это позволяет значительно сократить интенсивность происходящих экзогенных процессов. Угол выполаживания должен устанавливаться исходя из возможности обеспечения нормальных условий приживаемости и роста кустарников и деревьев. Существующие способы обустройства откосов предусматривают сплошное или частичное (террасное) выполаживание с перемещением породы сверху вниз или снизу вверх. При необходимости следует предусматривать строительство дренажа. У подошвы отвалов устраивают канавы или валы для задержания продуктов эрозии и отвода стекающих поверхностных вод.
С целью увеличения коэффициента устойчивости отдельных уступов или всего борта карьерной выработки довольно часто производится подсыпка бортов вскрышными горными породами, вследствие чего происходит уменьшение угла откоса. Горные породы, используемые для подсыпки, должны иметь высокий коэффициент фильтрации, что позволяет подземным водам дренировать в выработанное пространство.
При невозможности отвода подземных вод естественным путём применяются схемы консервации, предусматривающие удаление подземных вод стационарными водоотливными установками. Для откачки воды из карьерной выработки должно быть предусмотрено сохранение существующих насосных станций или водопонизительных скважин. Водоотлив в проекте сухой консервации карьера «МИР» рассмотрен В.В. Толчевым, С.М. Спасовым и др. [2].
В водохозяйственном направлении чаще рекомендуется консервировать мелкие (1,5-5 м), неглубокие (5-15 м) и среднеглубокие (15-30 м) обводнённые карьерные выработки, борта и днища которых сложены нетоксичными породами. В качестве водоёмов можно использовать сухие, умеренно влажные и кратковременно переувлажнённые карьерные выработки разных глубин, если имеется возможность их специального водообеспечения. При затоплении водой глубоких и особенно очень глубоких карьерных выработок требуется проведение специальных исследований по определению устойчивости бортов в условиях длительного обводнения с прогнозом качества воды.
При проектировании водоёмов следует предусматривать инженерные сооружения, обеспечивающие безопасное затопление карьерных выработок, поддержание расчётного уровня водного зеркала. Объём воды должен быть достаточным для покрытия потерь на фильтрацию, испарение и полезное потребление. В соответствии с санитарно-гигиеническими требованиями глубина водоёма должна быть не менее 1,5-2,0 м.
Перед затоплением карьера должны быть выполнены мероприятия по предупреждению прорыва и уменьшению фильтрации воды в действующие подземные выработки. С целью сохранения благоприят-
ной водной среды выходы рудных тел с малопригодными и непригодными по химическому составу породами экранируются путём перекрытия их слоем глины мощностью не менее 1 м. Откосы уступов, склонные к оползням и обрушению, в подводной части водоёма присыпаются скальными породами в виде пригрузоч-ных призм или укрепляются другими способами (набивными сваями, подпорными стенками и т.д.) [1].
При устройстве водоёмов для различных целей должны предусматриваться меры по предотвращению оползней бортов и поддержанию благоприятного режима и состава воды в соответствии с санитарно-гигиеническими требованиями. Откосы надводной части водоёмов в зоне волновой переработки берегов должны выполаживаться до углов естественного откоса пород в воде. При наличии неустойчивых или размываемых пород береговая полоса водоёма должна быть укреплена специальным покрытием. Водоёмы должны иметь защиту дна и берегов от возможной фильтрации [3].
В большинстве случаев мокрым способом консервировались горнодобывающие объекты, полезное ископаемое в которых добывалось ниже естественного уровня грунтовых вод и которые расположены, как правило, в поймах рек. Вместе с тем в ряде случаев мокрый способ консервации выбирался и для карьеров, расположенных на склонах и даже водоразделах, то есть там, где окружающие породы имели низкую водопроницаемость и где трудно было обеспечить самотечное удаление атмосферных осадков из выработанного пространства.
Мокрый способ консервации имеет ряд преимуществ. Во-первых, он обеспечивает более надёжное сохранение полезного ископаемого, в том числе от несанкционированной добычи, которая имеет место не только при разработке месторождений золота и алмазов, но и при добыче угля, нерудных полезных ископаемых. Во-вторых, затопление полезного ископаемого в ряде случаев предотвращает ухудшение его качественных характеристик (например, обеспечивает предохранение угля от окисления). Наконец, ещё одним достоинством мокрого способа консервации являются более низкие затраты на его осуществление. По большинству объектов, законсервированных мокрым способом, расходы были минимальными.
Однако мокрый способ консервации оказывается не всегда эффективным, особенно с экологической точки зрения. Натурные исследования состояния ряда, законсервированных мокрым способом, а также рекультивированных с созданием водоёмов разрезов, проведённые в 2007-2009 гг. [4], позволили установить наличие на многих объектах экологически неблагоприятных факторов, способствующих эрозионным процессам и препятствующих естественному восстановлению нарушенных земель.
Наименее благоприятные экологические условия были отмечены на водоёмах, образованных при консервации и рекультивации карьеров, расположенных выше уровня грунтовых вод. В этих случаях имели место значительные изменения уровня воды с пересыханием водоёмов в меженный период и их промер-
занием зимой. В ряде случаев вода из затопленных карьеров уходила из-за оттаивания окружающих пород и усиления фильтрационных утечек через борта, а также из-за более высокой, чем ожидалось, трещино-ватости пород, подстилающих полезное ископаемое или слагающих дно карьера.
В затопленных карьерах, расположенных в поймах рек ниже уровня грунтовых вод, состояние водоёмов и берегов в меньшей степени зависит от атмосферных осадков и времени года. Однако и здесь колебания уровня воды, волнообразование оказывают заметное эрозионное воздействие на борта выработанного пространства и способствуют заиливанию водоёма. При этом экологическое состояние водоёмов ухудшается по мере уменьшения площади их зеркала и глубины.
Изучение нормативных документов, относящихся к мокрому способу консервации [4], показало, что требования к ряду параметров водоёмов и их прибрежной зоне отсутствуют либо носят рекомендательный характер. Как следствие, в большинстве проектов консервации горнодобывающих объектов многие параметры принимаются без обоснования либо вообще не упоминаются.
Как показал анализ пятнадцати проектов консервации карьеров (участков) мокрым способом, в них отсутствовали расчёты по определению продолжительности затопления выработанного пространства, по установлению пределов колебания уровня воды в создаваемых водоёмах, по вычислению параметров, составляющих уравнение водного баланса. В результате этого в проектах не были предусмотрены мероприятия по укреплению береговой линии, по созданию пляжной зоны, по обеспечению необходимой глубины водоёмов в зимний период.
Результаты натурных исследований [4] позволяют утверждать, что при проектировании мокрого способа консервации необходимо:
- рассчитывать период затопления выработанного пространства до прогнозируемого уровня;
- составлять уравнения водного баланса водоёмов для меженных (летнего и зимнего), а также паводкового периодов;
- определять параметры водоёмов (площадь зеркала, глубину, протяжённость береговой линии) для разных периодов года;
- устанавливать пределы колебания уровня воды в водоёме;
- оценивать проточность водоёма и рассчитывать коэффициент водообмена.
Установление указанных выше параметров и факторов позволяет более обосновано проектировать работы и мероприятия по повышению противоэрози-онной устойчивости бортов выработки и откосов отвалов, по предотвращению гибели ихтиофауны и ихтио-флоры в неблагоприятные периоды года. В проекте должна учитываться не только гидрогеологическая информация, установленная в процессе геологоразведочных работ, но и данные, собранные в процессе эксплуатации запасов, в том числе режим работы и производительности насосов при карьерном водоотливе на разных этапах освоения месторождения, ка-
чественный состав карьерных вод. При необходимости следует уточнять фильтрационные свойства пород в бортах и на дне карьера, в ряде случаев с использованием инженерно-изыскательских работ.
При проектировании работ по консервации карьеров, особенно на длительные сроки, необходимо обеспечивать не только сохранность полезного ископаемого, но и экологическую безопасность объекта, следует учитывать удалённость карьера от населённых мест и возможность его несанкционированного использования для купания. В последнем случае по контурам водоёма должна быть выполнена пляжная зона с уклоном 7-10° до глубины не менее 1,5 м при низком уровне воды. Пляжную зону рекомендуется создавать и на удалённых объектах, так как она позволяет заметно уменьшить береговую эрозию. Пляжная зона должна укрепляться крупнозернистым материалом (валунами, бутовым камнем) и располагаться вдоль береговой линии до расчётной высоты вкатывания волны при максимальном уровне воды в водоёме.
Параметры водоёмов должны быть достаточными для компенсации потерь воды на фильтрацию и испарение в летний меженный период и на льдообразование зимой. При достаточно больших (более 5 лет) сроках консервации контуры водоёмов следует формировать с плавным очертанием береговой линии и исключать небольшие заливы, в которых могут возникать застойные процессы и заболачивание.
Выше уровня воды борта выработки должны быть сложены талыми дренирующими породами, устойчивыми к эрозионным и суффозионным процессам, и выположены до углов, не превышающих углы естественного откоса пород (не более 15-37°). В пределах прогнозируемого колебания уровня воды в водоёме берег должен быть более пологим (7-23°) и укреплён камнем для предотвращения волновой эрозии. На
достаточно крутых (30-37°) и протяжённых (более 30 м) бортах следует устраивать небольшие террасы, препятствующие оврагообразованию, смыву пород в воду и заиливанию водоёма.
При применении мокрого способа консервации объектов в проектах следует предусматривать мероприятия по их последующей расконсервации. Затопление выработанного пространства в течение длительного периода (иногда нескольких лет) существенно усложняет процесс осушения запасов после завершения консервации, требует установки дополнительного насосного оборудования и большой продолжительности осуществления водоотлива. В некоторых случаях из-за необходимости соблюдения правил охраны поверхностных вод может осложняться сброс откачиваемых вод в гидрологическую сеть. Имеются случаи, в том числе разрез Тигнинский в Забайкалье, когда при расконсервации воду из карьера не удавалось откачать в течение года, несмотря на установку более мощных, чем при эксплуатации запасов, насосных станций.
Анализ опыта работы горных предприятий и результаты натурных исследований позволили установить, что мокрый способ консервации приемлем в основном к карьерам, в которых полезное ископаемое расположено ниже уровня грунтовых вод. При этом объёмы работ по консервации этим способом не всегда будут минимальные. При проектировании мокрого способа консервации (особенно на длительный период) необходимо прогнозировать экологические последствия выполняемых работ и обеспечивать благоприятные условия для естественного восстановления нарушенных земель. Последнее приобретает особую актуальность в связи с систематическим переносом первоначально установленных сроков расконсервации объектов на более отдалённые годы.
Библиографический список
1. Чемезов В.В., Коврыжников В.Л. Землепользование и рекультивация нарушенных земель при разработке месторождений золота и алмазов: пособие по разработке проектов рекультивации нарушенных земель. Иркутск: Изд-во ОАО «Иргиредмет», 2007. 330 с.
2. Толчев В.В., Спасов С.М., Нензель Г.Н., Якушенко М.В., Березин С.Е., Трошин А.С. Водоотлив в проекте сухой консервации карьера «Мир» // Горная промышленность. 2006.
№ 2. С. 16-18.
3. Томаков П.И., Коваленко В.С. Рациональное землепользование при открытых горных работах. М.: Недра, 1984. 213 с.
4. Коробкова Е.А. Обоснование геотехнологических параметров и продолжительности консервации неглубоких угольных разрезов: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Иркутск, 2011. 23 с.
