CC BY
87
УДК 528.94
ПРИНЦИПЫ КАРТОГРАФИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И МОРФОДИНАМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ГОРНОПРОМЫШЛЕННЫХ МОРФОСИСТЕМ
Владимир Павлович Ступин
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, кандидат географических наук, доцент кафедры маркшейдерского дела и геодезии, тел. 8(964)748-22-42, e-mail: Stupinigu@mail.ru
Леонид Александрович Пластинин
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, доктор технических наук, профессор кафедры маркшейдерского дела и геодезии, тел. 8(914)881-18-08, e-mail: plast@istu.edu
В статье рассматриваются принципы картографирования и методика морфодинамического анализа горнопромышленных морфосистем.
Ключевые слова: картографирование горнопромышленных морфосистем,
морфодинамический анализ.
PRINCIPLES OF CARTOGRAPHIC MODELING AND MORPHODYNAMICAL ANALYSIS OF MINING MORPHOSYSTEMS Vladimir P. Stupin
Irkutsk State Technical University, 664074, Russia, Irkutsk, 83 Lermontova, candidate of geographical Sciences, associate professor of Surveying and Geodesy, tel. 8(964)748-22-42, email: Stupinigu@mail.ru
Leonid A. Plastinin
Irkutsk State Technical University, 664074, Russia, Irkutsk, 83 Lermontova, doctor of technical Sciences, professor of Surveying and Geodesy, tel. 8(914)881-18-08, e-mail: plast@istu.edu
The article discusses the principles of mapping and methods of morphodynamic analysis of the mining morphosystems.
Key words: mapping of the mining morphosystems, morphodynamic analysis.
Анализ, картографирование и оперативный мониторинг таких сложных и неустойчивых образований, как техногенный рельеф [1], также целесообразно и удобно выполнять с точки зрения теории морфосистем.
При таком подходе просматриваются три направления исследований: морфометрическое, морфолитологическое и морфодинамическое. Последнее направление позволяет произвести классификацию горнопромышленных систем в целях их картографирования [1, 2].
Форма и размерность горнопромышленных морфосистем предопределяет их основные параметры (высоту, уклон, вертикальную и горизонтальную кривизну), набор структурных элементов, степень внутренней дискретизации, конфигурацию и напряженность ЭАС, рисунок линий тока, и, в конечном итоге, характер и интенсивность литодинамики [3].
В состав горнопромышленных морфосистем (как выработанных, так и перемещенных) обычно входят осложняющие (дочерние) формы, по отношению к которым материнская морфосистема является фоновой.
На рис. 1 показаны каркасные элементы морфосистем карьера, созданного при производстве открытых горных работ.
Рис. 1. Главные морфодинамические элементы горнопромышленных морфосистем (трубка «Удачная»)
Морфосистемы: I - отрицательные; II - положительные.
Каркасные линии: 1 - главные репеллеры; 2 - главные аттракторы;
3 - второстепенные репеллеры; 4 - второстепенные аттракторы
Среди разнообразия форм горнопромышленного рельефа по чисто морфологическим принципам можно выделить:
- поверхностные вогнутые (отрицательные) формы, образовавшиеся вследствие выработки и удаления горных пород в процессе добычи полезных ископаемых;
- поверхностные вогнутые (отрицательные) формы, образовавшиеся в результате просадок и провалов над подземными выработками;
- поверхностные аккумулятивные выпуклые (положительные) формы, сложенные перемещенными (насыпными, намывными) грунтами.
При анализе горнопромышленных форм рельефа следует различать морфологический (геоморфологический) и морфодинамический (морфосистемный) аспекты их строения, хотя пространственно они могут и совпадать (рис. 2). Так с морфологической точки зрения борт карьера состоит из нескольких уступов, в свою очередь состоящих из откосов и берм. С морфодинамической же точки зрения - это морфосистема сложного склона, состоящая из подсистем простых (элементарных) склонов. Одновременно структурные линии борта карьера -бровки и подошвы уступов, с точки зрения концепции морфосистем представляют собой соответственно репеллерные и аттракторные линии, организующие структуру литодинамических потоков заключенных между ними склоновых систем.
Основными положительными морфосистемами, возникшими в результате открытых горных работ, являются морфосистемы отвалов вскрышных и вмещающих пород, складов, хвостохранилищ, а также насыпей и дамб вспомогательных транспортных и гидротехнических сооружений.
Рис. 2. Соответствие морфологических и морфодинамических элементов горнопромышленных морфосистем
Местным базисом денудации, т.е. главным аттрактором таких морфосистем, является подошвенная линия соответствующих им насыпных тел, которая обычно замкнута и хорошо выражена. Репеллеры представлены либо точками (в случае изометричных форм), либо гребневыми линями (в случае вытянутых). Их положение не всегда легко установить без детальной топографической съемки или привлечения стереоизображений, особенно для уплощенных или сложных бугристых систем. Элементарные поверхности положительных морфосистем имеют выпуклый или прямой профиль, свойственный денудационным системам. В плане эти поверхности характеризуются изометричной или вытянутой выпуклой формой, что свидетельствует о рассеянии (дивергенции) присущих им литодинамических потоков.
Крутизна скатов таких систем ограничена углом естественного откоса их сыпучего субстрата, который, в свою очередь, зависит от гранулометрического и вещественного состава грунта, а также его влажности и консистенции и колеблется в пределах 15°-40°. Высота одноярусных отвалов (или уступов многоярусных) зависит от используемой техники и составляет: при плужном отваливании 15 м; экскаваторном (25-30) м; бульдозерном (25-30) м (скальный грунт), (15-20) м (песчаный грунт), (10-15) м (суглинки и глины).
Для сложных склонов многоярусных отвальных морфосистем рассматриваемого типа характерен неровный, волнистый или ступенчатый, но также, в целом, выпуклый профиль.
Положительные морфосистемы могут развиваться как самостоятельно, (терриконы, дражные отвалы, хвосты), так и в качестве осложняющих (драпировочных) подсистем в составе фоновых отрицательных морфосистем (отвалов и насыпей в пределах карьеров, разрезов и полигонов).
По форме поверхности указанные морфосистемы подразделяют на:
- морфосистемы с ровной распластанной поверхностью, созданные в результате транспортировки пород вскрыши, эфелей, шлама или хвостов обогащения гидравлическими машинами; относительные высоты отвалов и гидроотвалов, к которым они приурочены, не превышают 2-3 м, хотя их мощность может составлять несколько десятков метров;
- морфосистемы с платообразной поверхностью, сформированные посредством одноярусной отсыпки вскрышных пород бульдозерами или скреперами; их средняя высота также не превышает 2-3 м;
- морфосистемы террасированных поверхностей, образованные при многоярусной транспортной отсыпке экскаваторами или самосвалами; высота таких форм может достигать многих десятков метров;
- морфосистемы с гребнеобразной поверхностью, образующиеся при отсыпке отвалов драгами в пределах карьерного поля. Высота дражных отвалов обычно составляет (8-15) м.
Пример такой морфосистемы приведен на рис. 3. Здесь показан участок речной поймы, на котором производилась добыча россыпного золота дражным способом. На рисунке показаны гребневидные дражные отвалы (1), заполненные (2) и незаполненные (3) водой дражные выемки, а также коренные непереработанные берега реки (4).
Основными отрицательными морфосистемами, образовавшимися в результате открытых разработок являются морфосистемы на основе выемок (карьеров, разрезов, полигонов), а также различных траншей и канав. Они, в отличие от положительных морфосистем, в целом имеют вогнутый, прямой или ступенчатый профиль, что предопределяет денудационное развитие их бортов. В то же время положение таких морфосистем в окружающем рельефе обусловливает их роль как коллекторов денудированного вещества, т.е. как аккумулятивных морфосистем. В плане эти морфосистемы обычно замкнуты, реже полузамкнуты и имеют вогнутые склоны, для которых характерно схождение (конвергенция) литодинамических потоков, начинающихся от репеллерных линий, приуроченных к ограничивающим соответствующие формы бровкам. Аттракторы таких систем обычно точечные донные, множественные у сложных систем, или линейные в виде донных тальвегов. Расположены в пределах днищ соответствующих этим морфосистемам форм. Максимальная высота уступов, осложняющих рассматриваемые морфосистемы, зависят от типа используемой техники и составляет: для механических лопат (10-20) м; для многочерпаковых экскаваторов верхнего черпания (10-30) м, нижнего черпания (10-40); для драглайнов (10-35) м. Ширина берм обычно составляет около трети высоты уступа.
О 100 200 300 400 500 м
Рис. 3. Типичная структура техногенных морфосистем при добыче россыпного золота дражным способом (пояснения в тексте)
По морфологии поверхности, определяемой геометрией залегания и вскрытия полезного ископаемого, можно выделить следующие отрицательные морфосистемы:
- выровненные мульды глубиной порядка десятка метров, характерные для месторождений горизонтального или пологого моноклинального залегания с малой мощностью вскрыши;
- гребневидные мульды, характерные для аналогичных месторождений при большей мощности вскрыши или при разработке россыпей, большей частью сложенных пустой породой, карьерным способом. Такие формы по днищу выработанной части обычно осложнены положительными гребнеобразными морфосистемами отвалов.
- вытянутые трапециевидные малоамплитудные опускания, сформированные в процессе разработки вытянутых горизонтальных или моноклинальных залежей малой мощности. Не осложнены аккумулятивными формами в пределах карьерного поля, так как породы вскрыши удаляются во внешние бортовые отвалы драглайнами или экскаваторами;
- трапециевидные террасированные карьеры, которые формируются при разработке полого или крутопадающих глубоких залежей большей мощности; вскрышные породы складируются во внутренние отвалы, где и формируются осложняющие положительные морфосистемы;
- циркообразные террасированные морфосистемы, которые образуются при разработке глубокозалегающих залежей крутого падения, например - кимберлитовых трубок; в пределах их днищ обычно нет осложняющих фоновых положительных морфосистем, так как породы вскрыши удаляют во внешние отвалы. Ярким примером такой морфосистемы является карьер трубки «Удачная» (см. рис. 1), который имеет форму эллипса размером 2100 м на 1700 м. Борта карьера представляют собой сочетание откосов, предохранительных и транспортных берм со спиральнопетлевой трассой. Углы откоса уступов изменяются от 60° до 75° в зависимости от глубины их расположения. Высоты рабочих уступов достигают 15 м. Проектная глубина карьера 600 м (на 320 м ниже уровня моря).
- траншеи, полутраншеи и канавы, которые образуются при вскрышных, геологоразведочных или осушительных работах и представляют собой вытянутые горизонтальные или наклонные выработки, протяженность которых значительно превышает их ширину.
Подземные горные работы также приводят к формированию разнообразных техногенных морфосистем. Анализ подземных образований выходит за рамки данной работы, поэтому кратко охарактеризуем лишь морфосистемы, образующиеся в результате закрытых горных разработок на земной поверхности. Они во многом схожи с морфосистемами открытых горных работ, но имеют и свою специфику.
К положительным морфосистемам этого типа относятся морфосистемы отвалов вскрышных и вмещающих пород, а также морфосистемы хвосто- и шламохранилищ, оставшихся после обогащения руд. К отрицательным относятся морфосистемы различных прогибов, провалов и просадочных впадин, образующиеся на поверхности земли в результате оседаний и обрушений кровли подземных выработок.
Морфология и размеры положительных морфосистем определяются технологией разработки месторождений и отвалообразования.
Среди них можно выделить:
- конические;
- плоские или пологонаклонные;
- платообразные;
- платообразные террасированные;
- гребневидные.
Первый тип морфосистем соответствуют простым отвалам терриконов, сформированным с использованием вагонеток и скипов. Ко второму типу относятся хвосто- и шламохранилища обогатительных фабрик, которые зачастую ограничены ограждающими дамбами. Три последующих типа образуются на отвалах, образованных при использовании автомобильного и железнодорожного транспорта при большом количестве отвального материала.
Морфология и размеры провально-просадочных морфосистем определяются глубиной их разработки, объемами и геометрией добываемых из недр полезных ископаемых. Среди них можно выделить:
- прогибы в виде мульд и неглубокие, но обширные провалы, возникающие после разработки горизонтальных или пологопадающих залежей пластовых залежей;
- провалы в форме каньонов, образующиеся над выработками крутопадающих залежей;
- кольцевые глубокие, но неширокие провалы, образующиеся при разработке крутопадающих штоков.
Изложим основные выводы, полученные при морфодинамическом анализе картографических моделей горнопромышленных морфосистем.
Антропогенные процессы, сформировавшие формы горнопромышленного рельефа, по своей направленности могут быть как деструктивными (денудационными), так и конструктивными (аккумулятивными). В то же время, процессы, перерабатывающие эти формы, изначально являются денудационными и всегда направлены на разрушение склонов как положительных, так и отрицательных форм горнопромышленного рельефа и удаление продуктов разрушения нисходящими литодинамическими потоками.
Положительные техногенные формы рельефа (отвалы, терриконы, насыпи, дамбы и т.п.) сложены перемещенным субстратом, с нарушением характера его залегании, структуры и
текстуры, а, следовательно, и свойств исходного грунта. Поведение таких грунтов часто бывает непредсказуемым и, следовательно, опасным.
Размерность естественного и техногенного горнопромышленного рельефа вполне сопоставима, по крайней мере, на уровне мезоформ. Так, средняя площадь карьера строительных материалов составляет (30-250) га, карьера по добыче марганцевой руды или угля (1000-2000) га, железорудного карьера (150-500) га. Глубина рудных карьеров в настоящее время достигает нескольких сотен метров, особенно глубоки разработки кимберлитовых трубок. Недалеко время, когда глубина карьеров достигнет 1000 м. Поскольку высота отвалов вряд ли будет более 100 м, увеличение объема вскрышных пород, требует непропорционально большего увеличения площади отвалов. Так, при глубине открытых работ (500-1000) м площадь отвала превышает площадь карьера в (4-7) раз. Другой пример: морфосистемы открытых разработок россыпных
месторождений по своим морфологическим параметрам сопоставимы с естественными долинными формами рельефа - поймами, террасами, врезами долин боковых притоков.
Развитие горнопромышленных морфосистем определяется как природными, так и антропогенными факторами. Первые представлены, прежде всего, исходным рельефом, грунтами и климатом. Эти факторы являются природно-спонтанными и поэтому трудно управляемы и зачастую непредсказуемы. В то же время антропогенный фактор вполне управляем, предсказуем, и определяется, прежде всего, стратегией и технологией добычи полезных ископаемых, а также особенностями условий эксплуатации месторождений.
В отличие от природных рельефообразующих факторов, антропогенный фактор в равной степени действует как в соответствии, так и против силы тяжести, например, при выемке и транспортировке пород, т.е. относительно свободен от влияния гравитации. Однако, после возникновения рукотворных форм, они в полной мере оказываются вовлеченными в сферу действия рельефомоделирующих процессов, невозможных без участия силы тяжести.
Как правило, склоны насыпных форм горнопромышленного рельефа имеют крутизну, близкую к углу естественного откоса, а склоны выработанных форм - круче его, в зависимости от устойчивости вскрываемых пород). Это предопределяет крайнюю неустойчивость и динамичность таких склонов.
В естественных условиях процессы формирования и разрушения рельефа в течение длительного времени действуют параллельно, поэтому природные морфосистемы обычно функционируют в спокойном, «рабочем» режиме.
Антропогенные же формы в масштабах геологического времени образуются практически мгновенно, а процессы формирования и разрушения их склонов разнесены во времени. Это приводит к коренной перестройке ранее существующего рельефа, быстрому изменению геодинамической обстановки и возникновению новых положительных и отрицательных морфосистем, работающих в «форс-мажорном» режиме. В пределах этих морфосистем изначально возникает высокое напряжение полей потенциальной денудации, и активно включаются процессы обратной связи, направленные на восстановление нарушенного динамического равновесия.
Внешнее проявление обратной связи в горнопромышленных морфосистемах выражается в форме интенсивных или даже катастрофических процессов: линейной эрозии, обвалов, оползней, осыпей, селей, термокарста, суффозии, солифлюкции, просадок, провалов и других негативных или нежелательных явлений.
Незакреплённые растительностью поверхности подвергаются дефляции и служат источником пылевого загрязнения воздуха. Происходит перестройка гидродинамической обстановки субстрата новых морфосистем - образование или деградация мерзлоты, обводнение или осушение грунтов, загрязнение подземных вод.
Особо отметим отрицательный эстетический аспект техноморфогенеза и возникающий в связи с ним психологический дискомфорт человека, что, безусловно, отнюдь не следует сбрасывать со счетов.
Все вышесказанное определяет специфику техногенного рельефа, а также актуальность и острую практическую необходимость серьезных и систематических исследований горнопромышленных морфосистем и отработки методов и методики его оперативного картографирования.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1 Ступин В.П. Геодезический мониторинг карьера Нюрбинского ГОКа // Вестник ИрГТУ, 2012. - № 12. - С. 122-126.
2 Ступин В.П. Горнопромышленные морфосистемы Прибайкалья // Вестник ИрГТУ. - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2010. - №1. - С. 186-189.
3 Ласточкин А.Н. Морфодинамический анализ. - Л.: Недра, 1987. - 256 с.
© В. П. Ступин, Л. А. Пластинин, 2014
