CC BY
52
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Выполнение инженерно-геологических исследований на гидроотвале № 3 для уточнения параметров гидровскрышных уступов; установка в намывные породы контрольно-измерительной аппаратуры: Отчет о НИР/ВНИМИ.- СПб., 1992. - 48 с.
2. Инженерно-геологические изучения грунтов дамбы гидроотвала № 3 Кедровского разреза: Технический отчет/ОАО «Кузбассгипрошахт». Кемерово, 1993. - 15 с.
3. Разработка рекомендаций по максимально возможному приближению границы горных работ «Основного поля» разреза «Кедровский» к гидроотвалу № 3 в связи с устойчивостью северо-восточного борта участка и гидроотвала: Отчет о НИР/ВНИМИ. - СПб., 1994. -57с.
4. Дополнение к проекту корректировки горнотранспортной части АООТ «Разрез Кедровский» АООТ «Кузбассразрезуголь»/ОАО «Кузбассгипрошахт». - Кемерово, 1997. - 20 с.
5. Проект гидровскрышных работ по смыву гидроотвала № 3/ОАО «Разрез Кедровский». - Кемерово, 2000. - 40 с.
6. Заключение экспертизы промышленной безопас-
ности № 196-2000 (per. № 30-3C-02666-2001) по оценки технического состояния и безопасности гидроотвала № 3 и гидроотвала на реке Бусалаиха/ НФ «КУЗБАСС-НИИОГР».- Кемерово, 2000.- 63 с.
7. Наблюдения за устойчивостью восточного борта на участке «Основное поле» ОАО «Разрез Кедровский»: Отчет о НИР (заключительный)/НФ «КУЗБАСС-НИИОГР» (г. Кемерово).- 2001. - 32 с.
8. Инженерно-геологические изыскания по ограждающей перемычке на пляжной зоне гидроотвала № 3 ОАО «Разрез Кедровский»: Технический отчет/ОАО «КузбассТИ-СИЗ». - Кемерово, 2002. - 32 с.
9. Заключение экспертизы промышленной безопасности № 3402002 (per. № 39-3C-06254-2002) в части анализа риска горных произведет и объектов по оценке устойчивости ограждающей перемычки на площади гидроотвала № 3 ОАО «Разрез Кедровский»/ НФ «КУЗ-БАСС-НИИОГР». - Кемерово, 2002. - 52 с.
10. Наблюдения за деформациями основной дамбы и ограждающей перемычки на площади бывшего гидроотвала № 3 ОАО «Разрез Кедровский»: /Этчет о НИР / НФ «КУЗБАСС-НИИОГР». - Кемерово, 2002. - 16 с.
— Коротко об авторах -------------------------------------------------------------
Федосеев Алексей Иванович - главный маркшейдер ОАО «Разрез Кедровский».
Вегнер Владимир Рейнольдович - технический директор ОАО «Разрез Кедровский».
Протасов Сергей Иванович - кандидат технических наук, директор НФ «КУЗБАСС-НИИОГР». Бахаева Светлана Петровна - кандидат технических наук, зам. директора НФ «КУЗБАСС-НИИОГР».
--------------------------------------------- © В.А. Стетюха, 2004
УДК 622.504: 622.271.7
В.А. Стетюха
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЛАНДШАФТНОДЕСТРУКТИВНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ ГОРНОГО ПРОИЗВОДСТВА НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ
Семинар № 13
ГТ1 ехнологические процессы горного производства вносят значительный вклад в загрязнение окружающей среды. Антропогенные воздействия на среду разбивают на 3 класса [1]: ландшафтно-деструктивные воздействия, загрязнение среды выбросами, фоновопараметрические воздействия. На ландшафтнодеструктивные воздействия приходится значи-
тельная доля всех загрязнений. К особенностям этих воздействий прежде всего можно отнести их масштабность. Кроме того, они часто являются причиной загрязнений атмосферного воздуха, недр, подземных и поверхностных вод. Как известно [2], технологическая цепочка при производстве открытых горных работ состоит из следующих процессов: бурение, взрывание,
выемка, транспортирование и складирование горной массы, первичная обработка, измельчение и обогащение полезного ископаемого. Практически на каждом этапе горного производства (кроме последних) на первый план выдвигаются ландшафтно-деструктивные воздействия, как первичные. При этом другие классы воздействий становятся сопутствующими и являются их результатом. Вне связи с ландшафтно-деструктивными воздействиями составные части экосистемы подвергаются загрязнению главным образом со стороны перерабатывающих предприятий.
При деструктивных воздействиях закономерности развития процессов загрязнения являются наиболее сложными. По этой причине для оценки последствий ландшафтнодеструктивных воздействий требуется разработка сложного математического аппарата, позволяющего определять температуру, влажность, напряжения и деформации в массивах пород на протяжении длительного времени. Возникает необходимость дальнейшего развития направления геоэкологии - геоэкологии ландшафтно-деструктивных воздействий. Объектами таких воздействий, изучаемыми геоэкологией, являются составляющие природной среды: атмосферный воздух, подземные и поверхностные воды, почва, недра,
ландшафт. Основные задачи геоэкологии остаются общими для воздействий любого класса. Они отражены в нормативных документах по экологическому обоснованию хозяйственной и иной деятельности [3, 4] и могут быть сгруппированы в три важнейших направления:
- мониторинг воздействий и их резуль-
татов,
- прогнозирование результатов воздей-
ствий,
- разработку рекомендаций по защите
среды.
Разработка рекомендаций производится на основе мониторинга и прогнозирования. Мониторинг лишь фиксирует фактическое загрязнение, его интенсивность и распространение в пространстве. В связи с большими затратами на его реализацию мониторинг может быть частично заменен прогнозированием степени развития процессов и воздействий аналитическими методами. Важнейшее достоинство прогнозирования - возможность предотвратить загрязнение. По этой причине прогнозирование в геоэкологии ландшафтно-деструктивных воздействий должно стать приоритетным, а его
доля при оценке воздействий на окружающую среду должна повышаться.
Вопросы конкретизации направлений и методики прогнозирования деструктивных воздействий в нормативных документах не нашли достаточного отражения. Необходимы разработка новых и совершенствование существующих методов. Предлагается выполнять прогнозирование развития процессов на объектах горного производства на основе представленной в таблице классификации основных ландшафтно-деструктив-ных воздействий и возникающих при этом процессов и их последствий.
Рассматриваемые воздействия технологических процессов горного производства условно разбиваются на две категории [5]: непосредственные и косвенные воздействия на ландшафтную структуру. Поскольку любой из перечисленных загрязняющих факторов вызывает появление широкого спектра геоэкологических проблем, в таблице в соответствующих строчках приводятся только основные более близкие по времени процессы, приводящие к загрязнению. Предполагаемые направления, по которым может быть нанесен ущерб, приведены в последней графе таблицы. Целью прогнозирования является получение количественных характеристик перечисленных в таблице процессов.
При формировании методики прогнозирования результатов ландшафтно-деструктивных воздействий необходимо учитывать особенности пород юга криолитозоны. Как показывают наблюдения, наличие высокотемпературных многолетнемерзлых пород, высокий уровень солнечной радиации, неравномерное распределение осадков в сочетании со сложным рельефом и техногенными воздействиями на массив усложняют физические модели процессов. При этом даже незначительное изменение граничных условий может приводить к деградации высокотемпературных многолетнемерзлых пород. В таких условиях требования к точности вычислений значительно возрастают. Существующие методы прогнозирования развития природных и техногенных процессов не всегда учитывают широкий спектр факторов воздействия на окружающую среду в условиях юга криолитозоны и их особенности. Появляется необходимость усложнения расчетных моделей за счет включения в разрешающие уравнения и граничные условия элементов, дающих даже незначительное уточнение результатов.
Предлагаемая методика прогнозирования процессов в условиях юга криолитозоны [6] основана на комплексном моделировании процессов в системе из рассматриваемого объекта и примыкающих к нему массивов пород и построена на основе учета множественных взаимодействий свойств пород и их трансформации во времени. В методике совмещается решение задач теп-ломассопереноса и статики, используется теория планирования эксперимента. При реализации методики обеспечивается долгосрочное прогнозирование процессов. В качестве инструмента используются явные численные схемы моделирования.
Составными элементами расчетной модели являются модели среды, объектов и воздействий. Модель среды включает объективную информацию о климате, геологических, гидрогеологических, криологических условиях конкретной площадки. Информация о модели объекта включает первоначальные свойства пород и материалов, определяемые при их укладке, а также динамику изменения свойств в течение заданного количества лет. Перечисленные модели дополняются информацией о техногенных воздействиях и динамике их изменения.
Проведение численных экспериментов на основе теории планирования требует большого объема вычислений. Чтобы сократить вычисления, модель формируется для конкретного региона или отдельного объекта. На начальных этапах при рассмотрении среды, объекта и техногенных воздействий способом аналогий выполняется предварительный отбор определяющих параметров по признакам их наибольшего влияния на процессы. Удаление несущественных параметров основывается на экспериментах, наблюдениях и накопленных материалах по исследуемой площадке. Вторичный отбор основан на установлении корреляционных зависимостей между отобранными параметрами. Далее вся совокупность факторов разбивается на две группы. Факторы первой группы используются при решении задачи тепловлагопереноса, а также при определении напряжений и деформаций в целях получения функций отклика при планировании математических вычислений. Остальные факторы используются при формировании уравнений регрессии [7] рассматриваемых процессов. Такая постановка задачи позволяет привести уравнения к более простому виду. Общее количество учитываемых факторов при этом не снижается, и сохраняется необходимая точность вычислений.
Процессы тепло- и влагообмена описываются системой нелинейных дифференциальных уравнений с соответствующими краевыми условиями [8,9]. В связи с повышенными требованиями к точности вычислений в дифференциальном уравнении теплопроводности учитывается теплопередача за счет диффузивного переноса влаги, а в уравнении движения влаги - перенос влаги, обусловленный градиентом температуры, и гравитационная составляющая. В уравнения теплового и водного балансов включены параметры, характеризующие крутизну и ориентацию склонов, интенсивность испарения, осадков, стока, инфильтрации в породы на конкретных площадках. Учитываются условия на границе слоев, условия на границе фазового перехода воды в лед, физические свойства отдельных слоев. Теплофизические характеристики корректируются по ходу вычислений при изменении влажности и температуры. Алгоритм учитывает средние облачность и влажность воздуха, выпадение осадков и скорости ветра. Величина солнечной радиации определяется в зависимости от времени суток, месяца года и географической широты. Разрешающие уравнения записываются в разностной форме. В каждом узле сетки определяются температура и влажность.
Напряжения и деформации в комплексной модели определяются методом конечных элементов. Для расчета массивов пород и горнотехнических сооружений, представляющих собой среду с нелинейными свойствами, применяется упругопластическое решение задачи с использованием модели Кулона-Прандтля [10]. Для решения упругопластической задачи применяется метод начальных напряжений с использованием итерационной процедуры Ньютона-Рафсона.
На основе приведенных элементов комплексной модели выполнялось прогнозирование процессов по некоторым из перечисленных в таблице направлений.
В целях прогнозирования последствий техногенных воздействий рассчитывалась глубина оттаивания многолетнемерзлых пород под дном проектируемого канала на Татауровском месторождении бурого угля, где возникла необходимость отвода русла р. Ингода, протекающей над предполагаемым участком разработки. Проведена количественная оценка влияния руслоотводного канала на температуру пород под его дном на участке залегания многолетнемерзлых пород.
Загрязняющие факторы и последствия техногенных воздействий на ландшафт в условиях юга криолитозоны______________________________________________
Воздействия технологических процессов горного производства на ландшафт Процессы, приводящие к нарушениям экологическо- Последствия антропогенных воздействий на ландшафт
Категории воздействий Загрязняющие факторы го равновесия
Непосредственные воздействия на ландшафтную структуру Разработка карьеров, траншей Отсыпка отвалов, насыпей Нарушение устойчивости откосов, бортов карьеров Обвалы, оползни, деформации поверхности, наледи Нарушение технологических циклов предприятий, угроза разрушения объектов Нарушение и отчуждение земель
Нарушение почвеннорастительного покрова, вырубка леса Деградация мерзлоты, опо-лзни просадки, овражная эрозия, пучение и другие геокриологические процессы Ухудшение качества почвы Нарушение земель
Создание водохранилищ, каналов, хвостохранилищ, гидроотвалов Фильтрация загрязнителей через дамбы, растепление мерзлоты, разрушение дамб, пучение, подтопление территории Загрязнение территории, поверхностных и подземных вод
Косвенные воздействия на ландшафт Зарегулирование водотоков Изменение уровня подземных вод, развитие геокриологических и склоновых процессов, заболачивание, размыв, подтопление Нарушение и отчуждение земель Угроза разрушения объектов Ухудшение качества земель
Осушение массивов пород Изменение уровней залегания подземных вод и мерзлоты, опустынивание
Сброс подогретых вод Деградация мерзлоты, осадки
Затопление рельефа, орошение Заболачивание, изменение уровня подземных вод, образование наледей
На одном из исследуемых участков ниже дна канала залегает мерзлый песок средней крупности с льдистостью 0,39. В процессе вычислений использовались характеристики этой породы, установленные инженерно-геологическими изысканиями: плотность скелета породы =1,6
г/см3, влажность = 22 %, содержание неза-
мерзшей воды = 0,2 %, начальная средняя температура многолетнемерзлых пород ^ = -1 °С. По известной плотности скелета и переменным значениям суммарной влажности тепло-
проводность и теплоемкость пород определялись по прил. 1 СНиП 2.02.04.88 [11]. Годовой ход температуры воды в реке и канале устанавливался по результатам многолетних наблюдений.
В результате вычислений получена глубина оттаивания пород под дном канала на участке залегания многолетнемерзлых пород в различные моменты времени, включая период до 10 лет от начала его заполнения. Поля температуры под дном канала определялись при вскрытии многолетнемерзлых пород в начале июня. В первый теплый период после их вскрытия многолетнемерзлые породы оттаяли на глубину 2,3 м, во второй
теплый период - около 1 м, 3-й - 0,7 м. Далее происходит затухание процесса. Через 5 лет оттаивание составляет 5,5 м, 10 лет - 7,8 м, что представляет угрозу для берегоукрепительных дамб.
Прогнозировалось влияние теплоизолирующего покрытия над массивом песка высотой Н = 10 м, с плотностью скелета породы р^ = 1400 кг/м3 на распределение температуры и глубину оттаивания. Массив расположен в регионе Восточного Забайкалья с климатическими характеристиками: среднегодовая температура воздуха -0,5 °С; амплитуда годовых колебаний температуры воздуха 23 °С. Песок заскладирован в отвал в середине сентября, что и определило его начальную температуру +8°С. Начальная температура и влажность подстилающих многолетнемерзлых пород принимались по результатам экспериментальных исследований. Средняя температура составляла -1°С. Альбедо поверхности устанавливалось в зависимости от типа теплоизоляции и корректировалось в разные периоды года. В качестве слоев теплоизолирующего покрытия принимались: опилки (А, = 0,13 Вт/м -°С), полимерная
пена (X = 0,05 Вт/м -°С), топливный шлак (X = 0,29 Вт/м -°С). Устанавливались допустимые пределы промерзания через 2,5 месяца после перехода среднесуточной температуры через 0 °С : со стороны дневной поверхности - 0,25 м, у границы многолетнемерзлых пород - 0,1 м. Отношение стоимости укладки слоя опилок толщиной 0,2 м к такому же слою пены принималось равным 1,4, к аналогичному слою шлака - 0,8. В результате решения задачи подобрана оптимальная конструкция теплоизоляционного покрытия. Указанные выше пределы промерзания массива имеют место при укладке 0,33 м полимерной пены. Оптимальным сроком укладки изоляции для рассматриваемых условий региона и площадки является 22 сентября.
С использованием разработанных автором алгоритмов и программ выполнялся аналитический прогноз последствий и других техногенных воздействий на окружающую среду в условиях Забайкалья. Проведены исследования мерзлых откосов карьеров и отвалов [12], насыпей дорог [6] при различной глубине оттаивания, размерах и физико-механических характеристиках пород. Прогнозировалось сохранение мерзлых пород при нарушении почвенно-раститель-ного покрова, в составе отвалов и насыпей с использованием теплоизоляции, теневых и гидроизолирующих
1. Петров КМ. Геоэкология. Основы природопользования.- СПб.: Изд-во СпбГУ, 1994.- 350 с.
2. Ржевский В.В., Новик Г.Я. Основы физики горных пород.-М.: Недра, 1984.- 359 с.
3. Инструкция по экологическому обоснованию хозяйственной и иной деятельности. Приложение к приказу Минприроды России от 29.12.95 №539.
4. Руководство по проведению оценки воздействия на окружающую среду (ОВОС) при выборе площадки, разработке технико-экономических обоснований и проектов строительства (реконструкции, расширения и технического перевооружения) хозяйственных объектов и комплексов.-М.: Минэкологии.- 1992.
5. Певзнер М.Е., Костовецкий В.П. Экология горного производства.- М.: Недра, 1990.- 235 с.
6. Стетюха В.А. Прогнозирование влияния процессов горного производства на состояние пород
экранов и мерзлотных завес [6]. Прогнозирование склоновых процессов на мерзлых откосах позволило разработать рекомендации по срокам и технологическим схемам проведения работ в различные сезоны года.
При реализации технологических операций горного производства, при вводе в эксплуатацию производственных объектов происходят существенные изменения термовлажностного режима и напряженно-деформиро-ванного состояния оснований. В определенных условиях при этом возникают неблагоприятные последствия, связанные со значительным протаиванием мерзлых пород и их последующим деформированием. Предлагаемая методика позволяет давать количественную оценку протекающих процессов с высокой степенью достоверности и выполнять их долговременное прогнозирование. Кроме того, разработанные автором алгоритмы и программы позволяют выбирать эффективные конструктивные и технологические решения, прогнозировать свойства пород на различных стадиях ведения горных работ. Предложенная методика прогнозирования ландшафтно-деструктив-ных воздействий может использоваться для оценки экономической эффективности горного производства в крио-литозоне.
------------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
криолитозоны.- Чита: ЧитГТУ, 2003.- 192 с.
7. Тихомиров В.Б. Планирование и анализ эксперимента.- М.: Легкая индустрия, 1974.- 262 с.
8. Лыков A.B. Тепломассообмен.- М.: Энергия, 1971.560 с.
9. Куртенер Д.А., Чудновский А.Ф. Расчет и регулирование теплового режима в открытом и защищенном грунте.-Л.: Гидрометеоиздат, 1969.- 300 с.
10. Фадеев А.Б. Метод конечных элементов в геомеханике.- М.: Недра, 1987.- 221 с.
11. СНиП 2.02.04.88. Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах/ Госстрой СССР.- М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1990.- 56 с.
12. Стетюха В.А. Исследование устойчивости оттаивающих откосов техногенных горных массивов. ГИАБ -М.: МГГУ, 2002, №7.- С. 206-208.
— Коротко об авторах ----------------------------------------------------------------
Стетюха Владимир Алексеевич - кандидат технических наук, доцент, докторант Читинского государственного университета.
