CC BY
68
Науки о Земле
УДК 622.464
Герасимов Виктор Михайлович Victor Gerasimov
УСКОРЕННОЕ ВОССТАНОВЛЕНИЕ ЗЕМЕЛЬ ПОСЛЕ ТЕХНОГЕННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ В ГОРНЫХ ЭКОСИСТЕМАХ
ACCELERATED REHABILITATION OF LAND AFTER TECHNOGENIC INFLUENCES IN MOUNTAIN ECOSYSTEMS
Рассмотрена проблема восстановления земель после отработки месторождений полезных ископаемых. Предлагается научно обоснованный ускоренный способ биологической рекультивации с приме -нением волокнистых полимерных материалов
Ключевые слова: биологическая рекультивация, консервация хвостохранилищ, волокнистые полимерные материалы
The article considers the problem of rehabilitation of land after mining deposits helpful resources. Scientific fast way of biological recultivation with the use of fibrous polymer materials is proposed
Key words: biological recultivation, conservation of tailings, f ibrous polymer materials
Горные экосистемы Восточной Сибири, Забайкалья, Дальнего Востока занимают до 80 % территории. Они являются источником большого количества полезных ископаемых, добываемых открытым и подземным способами.
Промышленные предприятия горного профиля вовлекают значительные лесные и горные массивы в техногенные процессы. При этом освоение месторождений полезных ископаемых открытым способом ведет к образованию карьеров, каскадов отстойников для очистки промышленных стоков, хвостохранилищ, отвалов вскрышных пород. На несколько лет в производственную сферу вовлекаются значительные природные территории, ориентированные на многокилометровые расстояния в поймах ручьев и рек.
В природных зонах, прилегающих к горным предприятиям, образуются техногенные изменения. Особенно негативное
влияние на природную среду оказывают хвостохранилища. На действующих предприятиях хвостохранилища находятся под постоянным контролем с проведением природоохранных мероприятий. Значительно хуже складывается ситуация в хвостохра-нилищах остановленных горных предприятий. В горных экосистемах Забайкалья это Шерловогорский ГОК, Жирекенский ГОК, Кличкинский, Кадалинский, Шахта-минский рудники. На участках, примыкающих к хвостохранилищам, в почвенном слое наблюдается большое содержание токсичных веществ: мышьяка, свинца, цинка, кадмия, молибдена [1]. После естественного осушения хвостохранилищ ветровой и водной эрозией токсичные вещества разносятся, загрязняя прилегающие природные территории; поэтому необходима их консервация. Хвостохранилища могут быть повторно переработаны как техногенные месторождения. Следующим этапом
повышения экологической безопасности хвостохранилищ является консервация, которая может иметь вид комплекса горнотехнической и биологической рекультивации земель.
В современные проекты разработки месторождений входит восстановление земель, нарушенных горными работами и хозяйственной деятельностью в процессе подготовки, добычи полезных ископаемых — водозаводными, руслоотводными и нагорными канавами, карьерными выемками, отвалами вскрышных пород, отстойниками промышленных стоков, дамбами, плотинами [2-5].
Горнотехническая рекультивация нарушенных земель после отработки месторождений включает планировку территорий, выравнивание отвалов, восстановление естественных уклонов в соответствии с требованиями ландшафтоведения, нанесение и закрепление плодородного слоя почвы. Биологическая рекультивация включает комплекс агротехнических и мелиоративных работ по восстановлению плодородия нарушенных земель, ввод в хозяйственную деятельность с целью дальнейшего использования [5; 6].
Дальнейшая трансформация рекультивированных земель в природную среду может иметь несколько направлений: посадка лесов, образование лугопастбищных угодий, самозарастание.
В районах Сибири и Дальнего Востока одним из распространенных видов биологической рекультивации земель является самозарастание, длительность которого составляет 3...5 лет. В первые годы восстановленный плодородный слой почвы подвергается водной и ветровой эрозии, существенно обедняющей гумус.
Техническое решение проблемы закрепления плодородного слоя почвы по масштабам и срокам воздействия применительно к земельным ресурсам возможно в направлении изыскания эффективных способов консервации. К таким способам относят закрепление верхнего слоя почвы безвредными химическими мелиорантами (полиакрил амид, гипан, латексы, натрий-
карбоксиметилцеллюлоза). Предпочтение имеют мелиоранты двойного действия: закрепляющие поверхностный слой почвы и повышающие урожайность растений. Использование 2...6 % раствора орто-фосфорной кислоты позволяет закрепить поверхность почвы ( пороговая скорость отрыва частиц 25...35 м/с) и повысить урожайность культур на 10... 30 % за счет образования полифосфатов и эластичного воздухопроницаемого поверхностного слоя
[7]. Действие мелиорантов ограничено во времени, поэтому возникает необходимость многократного орошения.
Интенсивное прорастание трав снимает проблему защиты гумусового слоя и способствует к возврату восстановленных земель. При этом для ускорения биологической рекультивации применяют травосеяние с использованием агротехнических приемов, которые уменьшают эрозию почвы. Одновременно ставится задача создания в первый год после проведения горнотехнической рекультивации прочного дернового слоя, невосприимчивого к механическим воздействиям животных и машин.
Волокнистые полимерные материалы поверхностной плотностью 0,08...0,2 кг/ м2 и высотой слоя 0,5... 2,5 мм хорошо зарекомендовали себя в качестве укрепляющих материалов откосов автомобильных и железных дорог для создания прочного дернового слоя. В процессе изготовления таких материалов семена многолетних трав закладывались внутрь волокнистых сред
[8]. Опыт применения волокнистых материалов с семенами трав показал, что стебли и корни растений легко проникают сквозь высокопористую волокнистую среду, создавая прочный дерновой слой.
Создание прочного дернового слоя при консервации хвостохранилищ и восстановлении земель основано на высоких прочностных показателях волокнистых полимерных материалов, для определения которых проведены аналитические расчеты на ЭВМ по программе оптимизации
Результаты расчетов показали, что для обеспечения разрывных усилий полоски волокнистого материала шириной 50 мм
в продольном направлении 200-260 Н и в поперечном направлении 100-150 Н объемная плотность волокнистой среды должна быть 45...70 кг/м3, а высота слоя 1...2,5 мм. В этом случае размеры пор составляют 136... 160 мкм. В такой высокопористой среде, обладающей высокой воздухо- и вла-гопроницаемостью, волокна легко смещаются относительно друг друга и не создают особых препятствий для прорастания корней и стеблей [9].
На основании проведенных исследований разработан ускоренный способ биологической консервации хвостохранилищ и рекультивации земель, нарушенных горными работами. После горнотехнической рекультивации на выровненную поверхность укладывается слой волокнистого полимерного материала плотностью 45...70 кг/м3 с
заложенными семенами трав, затем укладывают почвенный слой высотой 50... 100 мм и наносят на его поверхность химический мелиорант, например, 2...6 %-ный раствор ортофосфорной кислоты. Семена трав можно дополнительно укладывать под волокнистым материалом или выше его (см. схему).
Стебли и корни многолетних трав прорастают сквозь волокнистый материал в течение одного сезона, образуя пространственную армированную структуру грунта, противостоящую ветровой и водной эрозии и являющейся прочной для механических воздействий животных и машин [10]. Синтетические волокна сохраняют длительную долговечность и прочность в почвенной среде и экологически безвредны.
чЧЧ^/ЧЧЧ^/ЧЧЧ/'/ЛЧУ'^^
2 1
Схема расположения покрытий при рекультивации земель:
1 — грунтовое основание; 2 — волокнистый полимерный материал; 3 — верхнее грунтовое покрытие; 4 — химический мелиорант
В процессе укладки волокнистых материалов на поверхности консервируемых хвостохранилищ и рекультивируемых земель следует учесть динамические нагрузки от почвенного слоя, укладываемого поверх волокнистых материалов. Как правило, это высыпание почвенного слоя с транспортного средства. Используя известную формулу динамического воздействия, можно определить разрывающие напряжения в материале
г
а
дин
а
1 +
II
1 +
2 Н
(1)
где а — напряжение от статической наст 1
грузки, МПа;
Н — высота падения массы почвы, м; дст — статическая деформация материала, м.
Расчеты, выполненные по формуле ( 1) , показали, что при падении почвы с высоты 2 м напряжения в материале ниже разрушающих. Этот результат подтвердили экспериментальные исследования, выполненные автором. Требованием к укладываемому почвенному слою является отсутствие камней размером более 20 мм.
4
3
Предложенный способ биологической консервации хвостохранилищ и рекультивации земель сокращает процесс их восстановления до одного летнего сезона, по-
вышает стойкость лугопастбищных угодий к разрушению почвенного слоя, повышает урожайность травяных культур.
Литература
1. Юргенсон Г.А., Солодухина М.А., Гудкова О.В. К основам биогеохимического мониторинга в геотехногенных ландшафтах горнорудных территорий / / Вестник международной академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности. Т. 11. № 5. СПб. — Чита, 2006. С. 119-123.
2. Нурок Г.А., Лутовинов А.Г., Шерстюков А.Д. Гидроотвалы на карьерах. М.: Недра, 1977. 311 с.
3. Евдокимов П.Д., Сазонов Г.Т. Проектирование и эксплуатация хвостовых хозяйств обогатительных фабрик. М.: Недра, 1978. 439 с.
4. Гидравлическое складирование хвостов обогащения: справочник / В.И. Кибирев, Г.А. Райлян, Г.Т. Сазонов. М.: Недра, 1991. 200 с.
5. Ялтанец И.М. Проектирование гидромеханизации открытых горных пород: учеб. пособие для вузов. М.: МГГУ, 1994. 481 с.
6. Шорохов С.М. Технология и комплексная механизация разработки россыпных месторождений. М.: Недра, 1973. 795 с.
7. Рашкин А.В., Карасев К.И., Герасимов В.М. Восстановление и защита почв от техногенных и природных воздействий в горном природопользовании / / Природно-ресурсный потенциал горных и предгорных районов России и принципы создания устойчивых агроландшафтов: мат. Всерос. науч.-практ. конф. Владикавказ: Горное, 1996. С. 116-118.
8. Бершев Е.Н., Жуковская И.И. Разработка структуры геотекстильного материала для укрепления откосов // Разработка теоретических основ, совершенствование технологии и оборудования для получения нетканых материалов: межвуз. сб. науч. тр. М.: МТИ, 1991. С. 20-28.
9. Герасимов В.М. Направления снижения антропогенных воздействий в горном природопользовании // Горы и человек: антропогенная трансформация горных геосистем: мат. Всерос. науч. конф. Новосибирск: СО РАН, 2000. С. 42-44.
10. Пат. № 2109427 Российская Федерация МКИ 6 А 01 В 79/02/ Способ восстановления нарушенных земель при открытой разработке месторождений / В.М. Герасимов, К.И. Карасев, А.В. Рашкин; патентообладатель Чит. гос. техн. ун-т. - № 96111633/13; заявл. 07.06.1996, Бюл. № 12. 4 с.: ил.
Коротко об авторе_
Герасимов В.М., д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой механики, Забайкальский государственный университет (ЗабГУ) Служ. тел.: (3022) 41-72-57
_ Briefly about the author
V. Gerasimov, doctor of engineering sciences, professor, head of mechanics department, Zabaikalsky State University
Научные интересы: геотехнология, геоэкология, механика волокнистых сред
Scientific interests: geotechnology, geoecology, mechanics of fibred environments
