CC BY
34
УДК 622.85:622.332.012.3(571.51) © И.В. Зеньков, А.С Морин, В.Н. Вокин, Е.В. Крюшина, В.В. Жукова, 2019
Результаты исследования условий развития соснового бора в восточном секторе внутренних отвалов угольного разреза «Бородинский»
DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2019-4-106-109
ЗЕНЬКОВ Игорь Владимирович
Доктор техн. наук, Заслуженный эколог РФ, профессор Сибирского федерального университета, профессор ФГБУ ВО «Сибирский государственный университет науки и технологий им. академика М.Ф. Решетнёва», 660037, г. Красноярск, Россия, e-mail: [email protected]
МОРИН Андрей Степанович
Доктор техн. наук, заведующий кафедрой
ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет», 660041, г. Красноярск, Россия
ВОКИН Владимир Николаевич
Канд. техн. наук, профессор ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет», 660041, г. Красноярск, Россия
КИРЮШИНА Елена Васильевна
Канд. техн. наук, доцент ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет», 660041, г. Красноярск, Россия
ЖУКОВА Валентина Владимировна
магистрант ФГБУ ВО «Сибирский государственный университет науки и технологий им. академика М.Ф. Решетнёва», инженер ИВТ СО РАН, 630090, г. Новосибирск, Россия
В статье представлены результаты многолетнего экологического мониторинга состояния соснового бора, появившегося на породных отвалах угольного разреза «Бородинский» в результа те лесной рекультивации. Установлен прирост сосен в возрасте 14 лет, а также исследовано влияние основных факторов технологического характера на этот показатель. Представлены зависимости высоты деревьев от состава горных пород, уложенных в верхний слой породного отвала. Ключевые слова: угольный разрез «Бородинский», породные отвалы, восстановление нарушенных земель, лесная рекультивация, экологические показатели, техногенная продуктивная смесь, лесные экосистемы, сосновый бор.
ВВЕДЕНИЕ
В последние годы объем добычи энергетических углей в мировой экономике постоянно увеличивается. В Китае ежегодно добывают более 3 млрд т, в странах Восточной Европы и на восточном побережье Австралии суммарный объем добычи угля открытым способом достиг 550 и 700 млн т соответственно. Не исключением из этого списка являются США и ЮАР с объемами ежегодно добытого угля на уровне 800 и 250 млн т соответственно. Анализ российской тенденции в изменении объемов добываемого угля открытым способом показывает, что этот показатель в ближайшие годы будет только увеличиваться [1]. Растущая динамика производственных показателей также просматривается в деятельности угольных разрезов, работающих на месторождениях Канско-Ачинского бассейна [2]. В мировом недропользовании на отработанных участках месторождений угольные разрезы восстанавливают экобаланс путем проведения работ по рекультивации нарушенных земель. Прикладные задачи в области рекультивации территорий горнопромышленных ландшафтов, созданных при разработке угольных месторождений открытым способом, решают российские и зарубежные экологи-исследователи с представлением результатов в специальной литературе [3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11]. Обзор этих источников и других аналогичных работ подтвердил актуальность и целесообразность наших исследований, поскольку до сих пор не исследовано состояние соснового бора, появившегося в результате лесной рекультивации на отвалах угольных разрезов Канско-Ачинского бассейна, с выявлением факторов, влияющих на формирование и развитие деревьев хвойных пород, свойственных территориям Канско-Ачинской лесостепной географической зоны.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
И РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ
Кратко остановимся на технологических особенностях отсыпки породных отвалов при разработке открытым способом месторождений Канско-Ачинского угольного бассейна. Как показывает многолетняя практика, существующие технологии и организация открытых горных работ, логистика вскрышных карьерных грузопотоков не способствуют селективной, послойной отсыпке породных отвалов. В технологиях отвалообразования также не предусмотрена раздельная отсыпка вскрышных пород, в результате которой вертикальный разрез отвала мог быть максимально схожим с вертикальным разрезом вскрышного борта ка-
рьера. Это означает, что в поверхностный слой отвала мощностью 3 м и более должны быть уложены горные породы четвертичного возраста - глины, суглинки, пески, супеси и тому подобные, мощность которых на месторождении достигает 20 м, а в тело отвала - горные породы, вынесенные из глубины разрабатываемого месторождения: алевролиты, песчаники, аргиллиты и др. Как показывает практика, отвалы, отсыпанные глубинными горными породами, заселяются растительным сообществом с большой задержкой по времени.
В открытых горных работах вскрышные породы четвертичного возраста отрабатывают экскаваторами, устанавливаемыми в карьере на нижней площадке верхнего уступа высотой до 15 м. Эти породы обладают высокой продуктивностью и являются пригодными для произрастания на них высших сосудистых растений. Все, что остается ниже 15 м, экскавируется совместно с горными породами, при отсыпке которых в поверхностный слой отвала на последних процессы восстановления всех видов растительного покрова протекают с большой задержкой во времени. Слои горных пород, находящиеся ниже первого уступа, являются непригодными для нормального развития на них всех видов растительного покрова. В существующих технологиях отсыпки отвалов в их поверхностный слой драглайном ЭШ-10/70 могут быть уложены: горные породы четвертичного возраста; горные породы, вынесенные из глубины карьера - алевролиты, песчаники и другие; горные породы четвертичного возраста в смеси с алевролитами и песчаниками.
В ходе полевой экспедиции по исследованию экологического состояния соснового бора, проведенной в период с 2015 по 2018 г. на территории восточного сектора внутренних породных отвалов угольного разреза «Бородинский», коллективом научно-практической школы, созданной И.В. Зеньковым, получены следующие результаты.
Отметим, что угольный разрез «Бородинский» для наших исследований был выбран не случайно, поскольку его коллективом накоплен многолетний, и во многом положительный, опыт в проведении работ по лесной рекультивации. На поверхности отвалов в апреле-мае 2008 г. выполнены работы по горнотехнической рекультивации с использованием мощного бульдозера Komatsu Р275А. Проведено выполаживание откосов породных отвалов железнодорожной вскрыши. Отвалы, на которых проводились работы по горнотехнической рекультивации, отсыпаны дра-
Рис. 1. Фрагмент космоснимка с нанесением границ исследуемого участка (август 2017 г.)
глайном ЭШ-10/70 в начале 2000-х гг. По окончании работ, включенных в горнотехнический этап, проведены работы, составляющие основу биологического этапа - произведена высадка саженцев сосны и ели.
На начальном этапе полевых исследований, в ходе визуального осмотра поверхности отвалов с лесной рекультивацией, в целом отмечено экологически приемлемое состояние искусственного соснового бора. Это явилось в некоторой степени заблуждением, поскольку высота сосен, входящих в исследуемую совокупность, различалась между собой в разы, что было установлено в дальнейшем при измерении годовых темпов прироста стволовой части деревьев. Высота большинства елей оказалась весьма далекой от аналогичного показателя деревьев, произрастающих на природных ландшафтах, прилегающих к угольному разрезу. Контуры территории отвала с посадками сосен площадью 12 га обведены линией желтого цвета (рис. 1).
Далее наш исследовательский потенциал был направлен на выявление и изучение факторов, способствующих либо препятствующих нормальному формированию и развитию лесной экосистемы на породных отвалах. В этой связи необходимо было изучить: влияние качественных и фракционных показателей горных пород на участках с лесной рекультивацией на высоту деревьев; влияние ориентации откосов отвалов относительно сторон света на высоту сосен, высаженных в ходе проведения работ по лесной рекультивации.
В изучении состояния сосны обыкновенной, использованной в лесной рекультивации, в качестве основного показателя выбран годовой прирост стволовой части деревьев. Были выделены три типа участков поверхности отвала, верхний слой которых мощностью до 2 м сложен широким спектром горных пород: алевролитами серого цвета, техногенной смесью горных пород четвертичного возраста - суглинков, глин, супесей, песков, остатков гумуссодер-жащих почвенных слоев и техногенной смесью алевролитов с горными породами четвертичного возраста с преимущественным соотношением 2:1. В основном на этой территории откосы отвалов ориентированы на север и юг. Также здесь имеются небольшие по площади локальные участки с географической ориентацией на запад и восток.
Вся генеральная совокупность исследуемых деревьев, включающая 566 сосен в возрасте 14 лет, была условно поделена на три части. В основу такого деления положен состав горных пород, находящихся в верхнем слое отвала. На участках первого типа обследована 191 сосна, а на участках второго и третьего типа 182 и 193 соответственно.
Каждая из трех частей совокупности представлена в виде самостоятельного вариационного ряда. Совокупности в каждом ряду были разбиты дополнительно на группы, значения признаков в которых были объединены в интервалы. В каждом ряду определены значения моды, модального интервала, а также установлен средний уровень ряда.
На участках отвала, сложенных алевролитами, минимальный и максимальный прирост деревьев составил 11 и 24 см (рис. 2).
Значение моды в этом ряду находится в центре его распределения в интервале с диапазоном 15,1-20 см. Сосны, входящие в группу с диапазоном от 10,1 до 15 см, были высажены на участках, в поверхностный слой которых уложены крупнофракционные горные породы, вынесенные из глубины месторождения. Достоверно установлено, что корневая система у этих сосен развивается с отклонением от нормы ввиду наличия крепких горных пород размером 90x90 см и более. Сосны, входящие в группу с диапазоном от 15,1 до 20 см, произрастают на микроучастках, сложенных обломочными горными породами размером 50x50 см с отклонением 12-15% как в большую, так и в меньшую сторону. Под микроучастком в наших исследованиях понимается часть поверхности отвала в форме круга диаметром 2 м, в центре которого растет одна сосна или ель. В глубине таких участков существуют полости в промежутках между крупными кусками. Эти полости забиты мелкокусковыми горными породами, что облегчает формирование и развитие корневой системы деревьев. Сосны, входящие в группу с диапазоном от 20,1 до 25 см, находятся на микроучастках, сложенных обломочными горными породами размером 27x27 см и менее.
На участках отвала, сложенных техногенной смесью из горных пород четвертичного возраста, обследовано 182 сосны. В этом ряду выделено четыре группы. Минимальное и максимальное значения в этом вариационном ряду находятся на уровне 31 и 48 см (см. рис. 2). Значение моды в этом ряду смещено вправо от центра распределения и находится в диапазоне 40,1-45 см. Сосны, входящие в группу с диапазоном от 30,1 до 35 см, произрастают на откосе отвала, обращенном на юг, а входящие в группу с диапазоном от 45,1 до 50 см в 77% случаев находятся на откосах, обращенных на север. Остальные сосны равномерно распределены в двух группах с диапазоном от 35,1 до 45 см и произрастают на откосах, обращенных на запад и восток. Причем связь прироста деревьев с ориентацией склона в этом случае не прослежена.
Как было отмечено выше, часть сосен в количестве 193 находится на участках отвала, сложенных смесью алевролитов с горными породами четвертичного возраста. Минимальный и максимальный прирост деревьев в этом ряду составляет 21 и 38 см (см. рис. 2). Значение моды в этом ряду смещено вправо от центра его распределения в интервале с диапазоном 30,1-35 см. Сосны, входящие в группу с диапазоном от 20,1 до 25 см, были высажены на участках, поверхностный слой которых на 60-66% состоит из крупнофракционных горных пород - алевролитов, вынесенных из глубины месторождения. Сосны, входящие в группу с диапазоном от 25,1 до 30 см, развиваются на участках, в поверхностный слой которых уложены алевролиты в объеме 45-55%, а остальная часть - это горные породы четвертичного возраста. Оставшаяся часть сосен из этого ряда в количестве 96 деревьев находится на участках отвала с минимальным, в сравнении с другими группами ряда, включением алевролитов (25%) в состав горных пород, отсыпанных в поверхностный слой. В этой группе 57 сосен находятся на склоне северной экспозиции, а 39 - произрастают на склоне, обращенном на юг.
Рис. 2. Изменение высоты сосен в зависимости от состава горных пород в поверхностном слое породного отвала
После сопоставления полученных замеров годовых темпов прироста сосен на участках породных отвалов был сделан вывод о том, что основным фактором, оказывающим решающее влияние на этот показатель, является качественный состав горных пород в месте произрастания группы деревьев. Важнейшим фактором на участках, сложенных алевролитами, является фракционный состав горных работ в месте произрастания отдельно взятого дерева. Действие этого фактора на высоту деревьев практически не проявляется на участках, сложенных техногенной смесью.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Итак, на основе анализа результатов многолетних полевых исследований установлена значимость факторов технологического характера, неизбежно присутствующих в открытых горных работах и оказывающих существенное влияние на развитие сосен, саженцы которых использованы в ходе проведения биологического этапа рекультивации на породных отвалах, отсыпанных при работе угольного разреза «Бородинский». Выявленные закономерности должны учитываться при формировании технического задания на проектирование открытых горных работ на угольных месторождениях со схожими горно-геологическим условиями и, в частности, территориально находящихся в границах Канско-Ачинского бассейна, в разделах «технология и организация вскрышных работ», «технология отвалообразо-вания», «рекультивация нарушенных земель».
Список литературы
1. Яновский А.Б. Основные тенденции и перспективы развития угольной промышленности России // Уголь. 2017. № 8. С. 10-14. doi: 10.18796/0041-5790-2017-8-10-14. URL: http://www. ugolinfo.ru/Free/082017.pdf (дата обращения: 15.03.2019).
2. Таразанов И.Г. Итоги работы угольной промышленности России за январь-декабрь 2017 года // Уголь. 2018. № 3. С. 5873. doi: 10.18796/0041-5790-2018-3-58-73. URL: http://www. ugolinfo.ru/Free/032018.pdf (дата обращения: 15.03.2019).
3. Сафронова О.С., Ламанова Т.Г., Шеремет Н.В. Результаты исследования естественного восстановления растительного покрова на вскрышных отвалах, возникших в 1990-е годы в Республике Хакасия // Уголь. 2018. № 7. С. 68-71. URL: http://www.ugolinfo.ru/Free/072018.pdf (дата обращения: 15.03.2019).
4. Сафронова О.С., Евсеева И.Н. Мониторинг техногенного воздействия разреза «Черногорский» ООО «СУЭК-Хакасия» на территорию санитарно-защитной зоны // Уголь. 2018, № 9, С. 95-98. URL: http://www.ugolinfo.ru/Free/092018.pdf (дата обращения: 15.03.2019).
5. Харионовский А.А., Франк Е.Я. Обоснование горнотехнической рекультивации в целях лесовосстановления на Крутокачинском щебеночном карьере // Уголь. 2018. № 4. С. 75-77. URL: http://www.ugolinfo.ru/Free/042018.pdf (дата обращения: 15.03.2019).
6. Харионовский А.А., Франк Е.Я. Обоснование горнотехнической рекультивации по созданию культурного ландшафта в карьере по разработке глиежей // Уголь. 2018. № 2. С. 100-102. URL: http://www.ugolinfo.ru/Free/022018.pdf (дата обращения: 15.03.2019).
7. Щадов И.М., Франк Е.Я. О результатах и перспективах использования ресурсов ДЗЗ в решении прикладных задач угледобывающей отрасли в формате мировой эконо-
мики // Уголь. 2018. № 7. С. 58-61. URL: http://www.ugolinfo. ru/Free/072018.pdf (дата обращения: 15.03.2019).
8. EGer G., Janz S., Walther H. Promoting biodiversity in recultivating the rhenish lignite-mining area // World of Mining -Surface and Underground. 2017. Vol. 69 (6). Рр. 327-334.
9. Eyll-Vetter M. Significance of geotechnical boundary conditions in planning and designing residual lakes in the Rhenish lignite mining area illustrated by the example of the Inden opencast mine // World of Mining - Surface and Underground. 2015. Vol. 67(6). Рр. 371-378.
10. Soil moisture dynamics and restoration of self-sustaining native vegetation ecosystem on an open-cut coal mine / M.R. Ngugil, V.J. Neldner, D. Doley, B. Kusy, D. Moore, C. Richter // Restoration Ecology. 2015. Vol. 23(5). Рр. 615-624.
11. Linkage between root systems of three pioneer plant species and soil nitrogen during early reclamation of a mine site in Lusatia, Germany / K. Boldt-Burisch, M.A. Naeth, B. Schneider, R.F. Huttl // Restoration Ecology. 2015. Vol. 23(4). Рр. 357-365.
ECOLOGY
UDC 622.85:622.332.012.3(571.51) © I.V. Zenkov, A.S. Morin, V.N. Vokin, E.V. Kiryushina, V.V. Zhukova, 2019 ISSN 0041-5790 (Print) • ISSN 2412-8333 (Online) • Ugol' - Russian Coal Journal, 2019, № 4, pp. 106-109
Title
THE RESULTS OF A STUDY OF THE CONDITIONS FOR THE DEVELOPMENT OF PINE FOREST
IN THE EASTERN SECTOR OF THE INTERNAL WASTE DUMPS OF THE "BORODINSKY" OPEN-PIT MINE
DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2019-4-106-109
Author
Zenkov I.V.1, 2, Morin A.S.', Vokin V.N.1, Kiryushina E.V.', Zhukova V.V.2, 3
1 Siberian Federal University, Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation
2 Reshetnev Siberian State University of Science and Technology, Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation
3 Institute computational technology of Siberian Branch Russian Academy of Sciences, Novosibirsk, 630090, Russian Federation
Authors' Information
Zenkov I.V., Doctor of Engineering Sciences, Merited Ecologist of the Russian
Federation, Professor, e-mail: [email protected]
Morin A.S., Doctor of Engineering Sciences, Head of department
Vokin V.N., PhD (Engineering), Professor
Kiryushina E.V., PhD (Engineering), Associate Professor
Zhukova V.V., Master, Engineer
Abstract
The paper presents the results of a long-term environmental monitoring of the state of pine forest, which appeared on the rock dumps of the "Borodin-sky" open-pit coal mine, as a result of forest reclamation. The growth of pines at the age of 14 years has been established, and the influence of the main technological factors on this indicator has been investigated. Relationships between the height of trees and the composition of rocks laid in the surface layer of the waste dump are presented.
Keywords
"Borodinsky" open-pit mine, Rock dumps, Reclamation of disturbed lands, Forest recultivation, Environmental indicators, Technogenic productive mixture, Forest ecosystems.
References
1. Yanovsky A.B. Osnovnye tendentsii i perspektivy razvitiya ugol'noy pro-myshlennosti Rossii [Main trends and prospects of the coal industry development in Russia]. Ugol' - Russian Coal Journal, 2017, No. 8, pp. 10-14. doi: 10.18796/0041-5790-2017-8-10-14. Available at: http://www.ugolinfo.ru/ Free/082017.pdf (accessed 15.03.2019).
2. Tarazanov I.G. Itogy raboty ugolnoy promishlennosty Rossii za yanvar -dekabr 2017 [Russia's coal industry performance for January - December, 2017]. Ugol' - Russian Coal Journal, 2018, No. 3, pp. 58-73. doi: 10.18796/00415790-2018-3-58-73. Available at: http://www.ugolinfo.ru/Free/032018.pdf (accessed 15.03.2019).
3. Safronova O.S., Lamanova T.G. & Sheremet N.V. Rezultaty issledovaniya estestvennogo vosstanovleniya rastitelnogo pokrova na vskryshnyh otvalah, voznikshih v 1990-e gody v Respublike Hakasiya [The results of the study of natural regeneration of vegetation cover on overburden dumps in the Republic of Khakassia, which emerged in the 90-years of the twentieth century]. Ugol' - Russian Coal Journal, 2018, № 7, pp. 68-71. Available at: http://www.
ugolinfo.ru/Free/072018.pdf (accessed 15.03.2019).
4. Safronova O.S. & Evseeva I.N. Monitoring tekhnogennogo vozdejstviya razreza "Chernogorskiy" OOO "SUEK-Hakasiya" na territoriyu sanitarno-zashchitnoj zony [Monitoring of anthropogenic impact of "Chernogorsky" open-pit mine "SUEK-Khakassia" LLC on the territory of sanitary-protective zone]. Ugol' - Russian Coal Journal, 2018, № 9, pp. 95-98. Available at: http:// www.ugolinfo.ru/Free/092018.pdf (accessed 15.03.2019).
5. Kharionovsky A.A. & Frank E.Ya. Obosnovanie gornotekhnicheskoj rekul-tivacii v celyah levosstanovleniya na Krutokachinskom shchebenochnom karyere [Validation of the technology of mine technical reclamation for the purpose of reforestation in the Krutokachinskiy ballast quarry]. Ugol'- Russian Coal Journal, 2018, № 4, pp. 75-77. Available at: http://www.ugolinfo.ru/ Free/042018.pdf (accessed 15.03.2019).
6. Kharionovsky A.A. & Frank E.Ya. Obosnovanie gornotekhnicheskoj rekul-tivacii po sozdaniyu kulturnogo landshafta v karyere po razrabotke gliezhej [Substantiation of mining-engineering reclamation for burnt clay mines cultivated landscaping]. Ugol' - Russian Coal Journal, 2018, № 2, pp. 100-102. Available at: http://www.ugolinfo.ru/Free/022018.pdf (accessed 15.03.2019).
7. Shchadov I.M. & Frank E.Ya. O rezultatah i perspektivah ispol'zovaniya resur-sov DZZ v reshenii prikladnyh zadach ugledobyvayushchej otrasli v formate mirovoj ehkonomiki [On the results and prospects of using ERS (Earth Remote Probing) resources when solving applied tasks of the coal mining industry in the global economic format]. Ugol'- Russian Coal Journal, 2018, № 7, pp. 58-61. Available at: http://www.ugolinfo.ru/Free/072018.pdf (accessed 15.03.2019).
8. EGer G., Janz S. & Walther H. Promoting biodiversity in recultivating the rhenish lignite-mining area. World of Mining - Surface and Underground, 2017, Vol. 69(6), pp. 327-334.
9. Eyll-Vetter M. Significance of geotechnical boundary conditions in planning and designing residual lakes in the Rhenish lignite mining area illustrated by the example of the Inden opencast mine. World of Mining - Surface and Underground, 2015, Vol. 67(6), pp. 371-378.
10. Ngugil M.R., Neldner V.J., Doley D., Kusy B., Moore D. & Richter C. Soil moisture dynamics and restoration of self-sustaining native vegetation ecosystem on an open-cut coal mine. Restoration Ecology, 2015, Vol. 23(5), pp. 615-624.
11. Boldt-Burisch K., Naeth M.A., Schneider B. & Huttl R.F. Linkage between root systems of three pioneer plant species and soil nitrogen during early reclamation of a mine site in Lusatia, Germany. Restoration Ecology, 2015, Vol. 23(4), pp. 357-365.
