Воздействие добывающих отраслей на природную среду

Отходы при разработке недр. Таковые бывают твердыми («пустые» горные породы, минеральная пыль), жидкими (шахтные, карьерные и сточные воды) и газообразными (газы, выделяемые из отвалов).

При добыче и переработке минерального сырья атмосфера загряз­няется в процессе измельчения и обжига природных и искусственных материалов, при котором в атмосферу может поступать до 2% перера­батываемой массы материала. Основной выброс — пыль; при тепло­вой переработке и плавлении может происходить газообразный выб­рос. Вскрытие месторождений, бурение и взрывные работы, погрузка и разгрузка породы и полезного ископаемого, их транспортировка, дробление и грохочение, переработка руды, удаление или складиро­вание отходов приводят к интенсивному пылению. Образуются выб­росы при обогащении полезных ископаемых, они состоят из частиц самого ископаемого и породы.

На угольных шахтах и обогатительных фабриках основными загряз­нителями воздуха являются горящие породные отвалы (терриконы и др.). Основными продуктами окисления и газификации углистых пород тер­риконов являются СО2, СО, SO2, H2S, H2, CH4 и др. Эти же газы могут присутствовать в составе рудничного воздуха, который в больших ко­личествах выбрасывается в атмосферу из подземных выработок. Счита­ют, что в атмосферу Земли из подземных горных выработок шахт и руд­ников ежегодно поступает около 0,2 млн т пыли, более 27 млрд м3 мета­на и 16 млрд м3 диоксида углерода. В донецком бассейне еще недавно 364 угольные шахты выбрасывали в атмосферу 3870 млн м3/год метана и 1200 млн м3/год диоксида углерода, а всего по стране 701 шахта вы­деляла 6240 млн м3/год метана и 3300 млн м3/год СО2. Ныне часть шахт закрыта.

Открытая разработка месторождений полезных ископаемых обыч­но характеризуется более интенсивным загрязнением атмосферы вред­ными веществами: пылью и газообразными продуктами, образующи­мися при массовых взрывах и работе транспорта (СО, СО2, NOx, SO2, углеводороды, альдегиды). В карьерах Криворожского бассейна еже­годно образуется до 11 тыс. т токсичных газов (в пересчете на СО).

При разработке месторождений полезных ископаемых вместе с ними извлекается значительное количество пустых пород, и на повер­хности земли образуются значительные их скопления. Как правило, добытое сырье подвергается дальнейшей переработке. Если, напри­мер, руда содержит 30% железа, то остальные 70% ее — пустая порода, которую отделяют в процессе обогащения. Далее концентрат, содер­жащий уже примерно 60% железа, поступает в металлургический пе­редел, в результате которого также создаются отходы. Скопления от­ходов формируют техногенные образования на поверхности земли. Наибольший объем отходов приходится на угольную промышлен­ность, черную и цветную металлургию. Объемы горнопромышленных отходов на территории России в настоящее время оценивается более чем 80 млрд т, а ежегодный прирост отходов — 3,7 млрд т. При этом основная масса отходов в горнопромышленном производстве образу­ется при добыче сырья (80%), его обогащении (15%) и металлургичес­ком переделе (5%).

Изъятие сельскохозяйственных земель и нарушение природных ланд­шафтов. Расширение добычи полезных ископаемых, прокладка инже­нерных и транспортных коммуникаций привели к резкому возраста­нию территорий с нарушенными почвами и рельефом.

В России и странах ближнего зарубежья площади нарушенных зе­мель достигают 2 млн га, в том числе добычей торфа — 900 тыс. га, Цветных металлов — 520, нерудных ископаемых — 280, каменного и бурого угля — 110, химического сырья — 60, железной и марганцевой руд — 60 тыс. га и т. д. Между тем, по современным оценкам, зона вред­ного влияния горнопромышленных разработок с учетом загрязнения атмосферы, природных вод, почвенного покрова и растительности примерно на порядок больше территории горного отвода.

Широко используемая на севере страны бездорожная транспор­тировка грузов на самоходных установках уже привела к массовому уничтожению почвенного и растительного покрова тундры. Та же картина наблюдается в зоне пустынь и полупустынь при бездорожной транспортировке нефтяных вышек и проведении геологоразведывательных работ.

Как известно, в горнодобывающей промышленности наиболее эко­номически привлекательным является открытый способ добычи полез­ных ископаемых, при котором производительность труда в 5—6 раз выше, а себестоимость продукции в 2—3 раза ниже, чем при подзем­ных разработках. Но именно открытые горные работы сопровожда­ются наиболее существенными нарушениями ландшафта и гидроло­гических условий района разработок и нарушением или полной утра­той почвенного покрова на значительных территориях.

Можно сделать вывод, что расширение горного дела, увеличение добычи полезных ископаемых при существующих технологиях всегда оборачивается сокращением биологически продуктивных земель и нарушением сложившегося экологического равновесия. Чтобы под­черкнуть масштабность указанных нарушений, введен термин «тех­ногенный неорельеф».

Различают два основных его типа: положительный, (аккумулятив­ный), к которому относятся отвалы, терриконы, насыпные и намыв­ные поверхности, и отрицательный (выработанный) — шахты, карье­ры, разрезы, выработки и т. д. Высота аккумулятивных форм неорель­ефа достигает 50—80 м, протяженность — 1,5—2,5 км; глубина карьеров при современной технике может достичь 400—500 м при ширине ка­рьерного поля 100—200 м, а для размещения горных пород, отсыпае­мых в отвал, требуются тысячи га зачастую плодородных земель. При такой глубине выработок неизбежны серьезные нарушения гидроло­гического режима, приводящие к истощению подземных и поверхно­стных вод.

Закрытые (шахтные) разработки полезных ископаемых часто при­водят к провалам — опусканиям земной поверхности на 6—7 м, иног­да на больших площадях, что приводит к разрушению зданий, комму­никаций и вызывает необходимость перемещения целых населенных пунктов на новые места. Подобные явления характерны для Донбасса и Кузбасса, а за рубежом имели место в Верхнесилезском каменноу­гольном бассейне, в Чехии и в центральных районах Англии.

Однако горные работы — далеко не единственная причина нару­шения земель. С каждым годом возрастает воздействие на природные комплексы трубопроводов. В настоящее время в России длина магис­тральных нефте- и газопроводов составляет свыше 200 тыс. км. Крупнейшие месторождения неф­ти и газа находятся на севере нашей страны. Поэтому значительная часть трубопроводов проходит по наиболее ранимым ландшафтам тун­дры, лесотундры и тайги, по территориям с многолетней мерзлотой.

При сооружении трубопроводов вырубаются просеки в лесу, унич­тожаются кустарники, мохово-травяной покров. В условиях Севера они восстанавливаются крайне медленно. Поэтому по трассам трубопро­водов на многих участках уничтожен растительный покров. В резуль­тате здесь деградирует многолетняя мерзлота, развиваются процессы мерзлотного карста.

Зимой при низких температурах воздуха перекачка нефти и газа возможна лишь при их подогреве. Для того чтобы избежать деграда­ции мерзлотных толщ, приходится прокладывать трубопроводы на поверхности земли. Но в этом случае они служат препятствием на пути миграции животных, их сезонных перемещений.

В нефте- и газопроводах довольно часто бывают утечки, которые приводят к загрязнению почвогрунтов, поверхностных и подземных вод нефтью и газом. Трубопроводы пересекают тысячи рек, ручьев и речек. В случае аварии загрязняющие вещества быстро распростра­няются по ним на большие расстояния. Последствия аварий при этом многократно возрастают. Например, в январе 1988 г. произошла утеч­ка из мазутопровода, и нефтепродукты попали в русло реки Москвы и далее в водозаборы московского водопровода. В результате около 2,5 млн. человек были вынуждены в течение четырех дней пить воду с резким запахом нефти. Подобного же рода угроза существует и в тех случаях, когда трубопроводы проложены по дну морей или пере­секают проливы.

В настоящее время в России разработана программа превращения ее в мирового экспортера энергоресурсов, причем особая роль отво­дится нефти и газу. Для их транспортировки предполагается строитель­ство гигантских газо- нефтепроводов по территории Сибири (постав­ки странам Азии), по дну Балтийского и Северного морей (поставки Европе), а также по дну Черного моря (поставки в Турцию и другие страны). Очевидно, что перед практической реализацией этих амби­циозных программ, которые, конечно, экономически привлекатель­ны, должна быть проведена объективная оценка возможных экологи­ческих последствий, особенно в случае аварий или терактов.

Экологические последствия разработки недр. Обычно недрами на­зывают ту часть земной коры, где возможна добыча полезных ископа­емых. Между тем экологические и иные функции недр намного шире. Недра это: 1) источник минерально-сырьевых и энергетических при­родных ресурсов; 2) место захоронения вредных веществ и отходов производства; 3) природные и искусственные хранилища нефти, газа и иных веществ; 4) особо охраняемые территории (памятники приро­ды — карстовые пещеры и др.); 5) среда для возведения подземных сооружений.

Масштаб экологических последствий горнодобывающих производств зависит от технологии производства и особенностей ОС:

- технологии горнодобывающего производства;

- числа переделов, сконцентрированных в рамках одного производства (добыча, обогащение, получение конечного продукта);

- производственной мощности предприятия (особенно горных работ);

- времени и динамики действия предприятия;

- эффективности природоохранных мер;

- вида полезного ископаемого и содержания полезных токсичных) компонентов;

- геологической, гидрогеологической и инженерно-геологической ситуации;

-природного ландшафта.

Негативные экологические воздействия компенсируют природо­охранными мерами, которые подразделяют на 4 группы: предупреж­дения, ограничения, компенсации и ликвидации ущерба. При этом следует стремиться к тому, чтобы некомпенсируемая часть последствий воздействия не превышала установленные нормативы. Вовлечение месторождения в освоение запрещают, если предпола­гается распространение ущерба от этого на особо охраняемые терри­тории (отказ от эксплуатации, нулевой вариант).

Классификация технологий горнодобывающих производств

Горнодобычные производства типизируют по технологиям раз­работки месторождений.

Основными способами разработки месторождений твердых полезных ископаемых являются: горный, подразделяемый на подземный (шахтный) и открытый (карьерный), и скважинный (геотехнологический).

Подземный (шахтный) способ разработки применяется преимущественно для месторождений полезных ископаемых, залегающих на больших (до 2 000 и более метров) и средних глубинах (100 - 600 м), а иногда и малых (> 20 м), когда технико-экономические и экологические показатели подземной разработки являются предпочтительны­ми. Может применяться также в густонаселенных районах, при на­личии ценных ландшафтов и т. д. Добыча руд производится взрывной отбойкой креп­ких пород (более 8 по Протодьяконову), щитовыми комплексами при разработке мягких пород и другими методами. Подъем руды на по­верхность производится скиповыми подъемниками: перед подъемом руда дробится под землей до 300 мм. Подземный способ разработки характеризуется значительными потерями руды (до 45%) и высоким разубоживанием (до 30 %).

Разновидностью подземного способа разработки является скважинный способ разработки. Традиционно применяется для жидких и газообразных полезных ископаемых. Однако, с развитием, техники со второй половины XIX века скважинным геотехнологическим) способом стали добывать и твердые полезные ископаемые. Отличительная особенность скважинных методов состоит в том, что полезные компоненты за счет какого-либо воздействия переводят в подвижное состояние и в виде проективной пульпы раствора подают на поверхность.

Среди скважинных методов выделяют подземное выщелачивание (U, Pb, Zn, Си, Р и др.), скважинную гидродобычу (СГД) (песок, гравий, россыпи, рыхлые, железные и другие руды), подземную выплавку (сера, асфальтит, битум), подземное растворение солей (сильвинит, карнолит, бишофит), подземную газификацию (уголь, сера, горючие сланцы) и др. Скважинные методы обладают рядом достоинств, позволяющих прогнозировать широкое их применение в ближайшем будущем. К ним относится, в частности, перемещение процессов извлечения полезных компонентов в недра и работа геотехнологических систем в замкнутом циркуляционном цикле, позволяющие предотвращать вредные воздействия на окружающую среду.

Требования к скважинным методам сводятся в основном к защите водоносных горизонтов от загрязнения, полноте извлечения полезных ископаемых и рекультивации полей обращения в случае недостаточной прочности покрывающих пород или небольшой глубины залегания месторождения.

Открытый (карьерный) способ добычи полезных ископаемых бо­лее экономичен и получил преимущественное распространение в ми­ре. Этим способом добывают около 80 % всех твердых полезных ис­копаемых. Он отличается большой производительностью (до 50 млн. т руды одного карьера в год), низким разубоживанием (до 5 %) и не­высокими потерями руды в недрах (до 3 %). Открытым способом разрабатываются месторождения полезных ископаемых, залегающие на глубине до 600 м. Добыча осуществляется буровзрывным (при крепости пород более 8) и экскаваторным (крепость ниже 8) спосо­бами.

Транспортируется добываемое минеральное сырье железнодорож­ным или автомобильным транспортом, а также конвейерным или гидравлическим способами.

Разновидностью открытого способа является дражный способ, который применяют для разработки обводненных россыпных место­рождений. Целесообразность его применения определяется условия­ми залегания и размером россыпей, запасами полезного ископаемого, а также другими параметрами месторождения. Основным преимуществом дражной разработки являются возможность высокопроизводительной работы по поточной технологии, автоматизации добычных и обогатительных процессов, механизации вспомогательных операций, поскольку все операции по добыче полезного ископаемого первичного обогащения сосредоточены непосредственно на драгах.

Разновидностью открытого способа добычи является также кучное выщелачивание (КВ), обладающее рядом достоинств и недостатков.

Методами кучного выщелачивания при открытой добычи и методами шахтного выщелачивания обычно проводят доработку завершаемых добычных горнорудных производст.

Эти методы применяют в качестве вторичных при добыче урана, золота, меди из отвалов забалансованных руд или в качестве первичных при добыче золота из месторождений бедных рассеянных руд путем орошения выщелачивающим рабочим раствором крупных штабелей руды на поверхности (KB) или в подземных камерах (блоках) визированной руды (ШВ).

Рабочие площадки готовят специально: облицовывают, покрывают гравием, прокладывают трубы-коллекторы. Выщелачивающим раствором служит серная кислота (уран, медь) или цианистый натрий (золото).

Основные природоохранные мероприятия включают:

- обустройство рабочих площадок для предупреждения утечек рабочего раствора;

- промывку и нейтрализацию остаточных куч и их удаление в от­валы;

- землевание подготовленных остаточных куч;

- сбор остаточных рабочих растворов в специальные емкости, их нейтрализацию и утилизацию.

Иногда при­меняют комбинированный способ разработки, при котором верхняя часть месторождения отрабатывается открытыми, а нижняя - под­земными горными работами.

Суммарный ущерб ОС от источников экологического воздейст­вия, связанных с открытым способом добычи, в 10 раз выше, чем от источников, связанных с подземной добычей. Экологический ущерб объектам ОС при горном способе добычи приведен ниже на примере Соколовско-Сарбайского ГОКа по истечении 40 лет его деятельно­сти:

- изменился ландшафт местности, произошло изъятие земель из землепользования за счет отсыпки отвалов;

- вследствие дренажа понизились уровни водоносных горизон­тов;

- существенно поднялся вследствие сброса дренажных вод уровень верхних горизонтов подземных вод, что вызвало частичное затопле­ние промышленной и селитебной зон;

- существенно изменился химический состав подземных вод;

- замачивание грунтов вследствие подтопления привело к изме­нению их физикомеханических свойств и деформации фундаментов ряда жилых зданий;

-развился целый ряд инженерно-геологических процессов (заболачивание, засоление грунтов, оврагообразование, оползни, просадки над выработанными участками).

Метод скважинной гидравлической добычи (СГД).

Метод находится в стадии опытно-промышленных испытаний и перспективен для отработки многих месторождений полезных ископаемых.

По сравнению с горным способом добычи характеризуется относительно низким воздействием на ОС. Основными видами воздействий являются:

- нарушение целостности массива пород;

- локальные нарушения динамики подземных вод;

- нарушение рельефа земной поверхности;

- относительно кратковременное отчуждение земель.

Основные природоохранные меры заключаются в следующем:

- тампонировании устья скважин глиной вокруг обсадной колон-

вы;

-заполнении ствола скважин и выработанного пространства закладочным материалом (главным образом, хвостами обогащения);

- ликвидации просадок земной поверхности обезвоженными хво­стами;

- рекультивации нарушенных земель предварительно снятым и складированным почвенно-растительным слоем.

Таким образом, с горнодобывающим производством связан значи­тельный экономический ущерб окружающей среде, что определяет важность проблемы экологизации минерально-сырьевой отрасли. Технологические аспекты этой проблемы, как следует из вышеизложенного, связаны с:

- выбором технологии добычи (от менее экологичных карьерного и шахтного к более экологичным скважинным геотехнологическим -ПВ, СГД и др. );

- при необходимости применения открытых и подземных горных способов добычи предпочтение отдается тем технологиям обогащения, которые сопровождаются минимальным воздействием на ОС (максимальное использование физических методов - гравитации, магнитной сепарации, радиометрического обогащения и т.п. при ог­раничении методов флотации, использующих токсичные компонен­та);

- выбором среди альтернативных месторождений тех объектов, освоение которых сопровождается меньшим экологическим ущербом ОС;

- применением комплекса природоохранных мер от воздействия твердых, жидких и газопылевых отходов, включающего их утилиза­цию;

- максимальное использование попутных полезных ископаемых.