Эрозия земель и защита от нее

Техника, технология и оборудование технического и биологического этапов рекультивации земель

Технический этап реультивации земель на карьерах выполняется непо-ственно промышленным предприятием или участком по рекультивации в про-цессе производственной деятельности и включает в себя планировку повер-ности, формирование рекультивационного горизонта горизонта, выпола-живание откосов, строительство подъездных дорог, гидротехнических, мели-оративных и других сооружений. Конечная цель рекультивации создание тер- ритории, которая позволяет обеспечить максимальную продуктивность земельных угодий, удовлетворить рекреационные, эстетические, санитарно-гигиенические и другие требования к природной среде.

Для выполнения производственных процессов на техническом этапе ре-культивации на карьерах используется специальное оборудование.

Подготовка поверхности земель к снятию плодородного слоя почвы заключается в прокладывании осушительных каналов с использованием гусеничных и траншейных экскаваторов, канавокопателей плунжерно-роторных, экскаваторов-канавокопателей.

Для очистски плодородного слоя земли от деревьев, кустарников, пней и крупых камней используются кусторезы, корчеватели-собиратели, агрегат кор-чевальный,камнеуборочные машины, прицепы для транспортирования камней и пней, автотранспорт.

Для снятия плодородного слоя почвы используются рыхлители, бульдо-зеры, скреперы, грейдер-экскаваторы, экскаваторы с ковшом вместимостью от 0,4 до 4 м³.

Для погрузки плодородного слоя земли используют экскаваторы, погрузчики, роторные экскаваторы, бульдозеры. В отдельных случаях почвенный слой предварительно собирается бульдозерами в бурты, затем грузится в средства транспорта при помощи погрузчиков или экскаваторов типа «механическя лопата» и драглайнов. При транспортно-отвальной и бестранспортной системах разработки снятие и перемещение плодородного слоя почвы на поверхность внутренних отвалов осуществляется с использованием основного горного и транспортного оборудования, применяемого на вскрышных и отвальных работах.

При транспортировании плодородного слоя почвы используют экскавато-ры-драглайны, гидротранспорт, конвейерныйтранспорт, автотранспорт, скрепе-ры с ковшом, вместимостью 7 – 15 м³.

Планировка рекультивируемых территорий осуществляется экскаваторами-драглайнами, бульдозерами, грейдерами, скреперами, планиров-щиками.

Основными видами отрицательного воздействия на природную среду продуктов эрозии, а это в подавляющем большинстве пылевидные фракции, являются:
1. Необратимые изменения структуры и состава почв - снижение водо- и механической прочности агрегатов с ухудшением агробиологических свойств почв; разубоживание гумусового и солевого составов; изменение их водоудер-живающей способности приводящее к иссушению, либо к заболачиваню уго-дий.
2. Необратимые изменения состава, структуры и свойств потенциально плодородных пород, уложенных на временное хранение в бурты на повер-хность нарушенных земель с целью их последующей биологической рекульти-вации.
3. Загрязнение почв и почвогрунтов воздушными и водными выносами ди-сперсных минеральных частиц, что приводит к порче растительного покрова, возможному засолению почв и почвогрунтов и интоксикации растений продуктами химического разрушения пород или заболачиванию поверхности.
4. Запыление воздушного бассейна продуктами ветровой эрозии. Наиболее интенсивными источниками запыления являются инженерные сооружения, на которых откладываются или образуются мелкодисперсные частицы, особенно если промышленные отходы, хвостохранилища, гидроотвалы, автотранспорт-ные пути располагаются в пределах территорий горных предприятий и т.п.).
5. Загрязнение водного бассейна продуктами ветровой и водной эрозии.
6. Ухудшение физико-технических параметров пород, используемых в раз-личных инженерных сооружениях, например, ухудшение несущей способности и фильтрационных характеристик конструктивных элементов гидротехничес-ких сооружений таких как дамбы хвостохранилищ, плотины, водоотводные каналы и дренажные траншеи; изменение грунтовых оснований; разрушение насыпей.
Степень проявления перечисленных негативных воздействий, величина наносимого ими ущерба целиком зависят от способности противостоять эрозии.
Основными объектами эрозии на горных предприятиях, наносящими наибольший ущерб окружающей природной среде, являются:
- хвостохранилища, гидроотвалы, шламохранилища и др.;
- отвалы песчано-глинистых пород и отвалы со значительным содержанием полезных ископаемых нередко отличающихся высокой токсичностью;
- поверхности различных сооружений таких как отвалы, дамбы хвостохранилищ, подъездные ивнутрикарьерные дороги и пр., по которым осуществляется регулярное передвижение оборудования и автотранспорта.
Для предотвращения эрзионных процессов с элементов хвостохранилищ необходимо укреплять пологие поверхности пляжей хвостохранилиц,
поверхности внутреннего откоса ярусной ограждающей дамбы,
наружных откосов ярусных дамб обвалования, поверхности берм дамб обвалования.
В практике используются несколько методов защиты от эрозии.
Механический метод защиты поверхности от эрозииоснован на введении механической преграды на пути разрушающего воздушного или водного пото-ка. В отличие от биологического и химического методов пртивоэрозионной защиты породы, слагающие защищаемую поверхность порды, непосредственно не участвуют в процессе повышения устойчивости поверхности к эрозии.
Для преграждения пути водным потокам применяют специальные спосо-бы вспашки склонов с образованием продольных борозд на поверхности отко-са, возведение земляных валов или водоотводных нагорных траншей и т.п.
Однако такие способы не защищают поверхность склонов от прямоговоз-действия дождя и ветра. Большей надежностью характеризуются способы непо-средственного покрытия эродируемой поверхности хвостохранилищ твердыми конструктивными элементами типа сплошных или решетчатых щитов с после-дующей посадкой растений в ячейках решеток), сборных железобетонных эле-ментов, соломенных, тростниковых или камышовых матов и плит, которые предварительно обрабатываются вяжущими составами, насыпных слоев щебня, шлака, древесной коры и т.п. В последнее время для укрепления поверхности откосов высоких земляных сооружений типа насыпных плотин, отвалов песчанстых пород применяют покрытия из синтетических полотен, однако в этом случае затруднена последующая биологическая рекультивация.
Способы механической защиты поверхности от эрозии отличаются значи-тельной трудоемкостью, низкой роизводительностью и для решения рассмо-тренных выше задач используются лишь в отдельных случаях главным образом, как вспомогательные в сочетании с биологическим закреплением поверхности.
Биологический метод защиты поверхности от эрозиипредусматривает посадку или посев культурных или дикорастущих растений на поверхностном слое укрепляемых пород или внесение в этот слой культурных микроорганизмов.
Защита пород от разрушения достигается благодаря объемному связы-ванию минеральных частиц в пределах укрепляемого слоя и экранированию по-верхности от внешних воздействий. Эффект укрепления создается в результате склеивающего действия продуктов жизнедеятельности микроорганизмов бакте-рий, низших растений или вследствие армирующего действия корневой системы растений. Во втором случае наземная часть биомассы, покрывающая защищаемую поверхность, предотвращает непосредственное воздействие на эту поверхность воздушных и водных потоков или предельно снижает их скорость вблизи поверхности. Кроме того, ослабляется проявление температурного контраста суточных колебаний температуры окружающей среды. Даже при неравномерном зарастании поверхности такие участки служат механическим препятствием для частиц грунта, перемещаемых с незаросших участков, предотвращая вынос продуктов эрозии в окружающую среду.
С экологической точки зрения биологический метод противоэрозионной защиты является наиболее прогрессивным и перспективным. Такое укрепление поверхности остается пока весьма дорогостоящим и чувствительным к природно-климатическим условиям. Широкое промышленное внедрение биологического закрепления крутонаклонных откосов в практике горного производства сдерживается отсутствием предназначенных для этого средств механизации.
Современные тенденции в развитии биологического метода противоэро-зионной защиты объектов горного производства заключается в следующем:
1. Совершенствование способов создания почвенного слоя из укрепляе-мого материала. Создание почвенных структур из этого материала с помощью химических мелиоратнов, причем предпочтение отдается высокополимерным соединениям, в часности, поликомплексным композициям, внесение которых в мелиоративный слой позволяет быстро создать высокоструктурную почву с гидроаккумуляционной способностью и стабильными агрохимическими харак-теристиками.
2. Выбор оптимального ассортимента трав для конкретных климатичес-ких условий, агрохимических и агрофизических свойств закрепляемых пород. В последнее время предпочтение отдается почвопокровным разрастающимся по поверхности растениям, не требующим особо благоприятной среды.

3. Разработка рациональных способов гидропосева трав для укрепления горизонтальных и пологих поверхностей.

4. Формирование вне укрепляемой поверхности гибких или жестких кон-структивных элементов (плит, матов, крупных гранул) из питательных грунто-травяных смесей с механизированной укладкой этих элементов на наклонные поверхности.
Физико-химический метод противоэрозионного укрепления поверхностиоснован на управлении свойствами и структурой грунта в укрепляемом слое путем введения в него различных вяжущих веществ. По типу применяемых вяжущих различают способы: цементации, битумизации, силикатизации, урепления грунтов синтетическими смолами, сложными высокополимерными композициями.
В процессе укрепления грунтов участвуют две физико-химические системы: грунт и вяжущее. Процесс протекает на границе контакта этих двух систем.
Для предотвращения эрозии на горных предприятиях используются раз-личные типы структурообразователей: неорганические вяжущие, битумы, син-тетические смолы, лигнины, латексы, полиэлектролитные композиции, реже цементы.
К способам закрепления грунтов неорганическими растворами относится силикатизация, укрепление грунтов фосфатными вяжущими, кремнефторводо-родной кислотой и ее солями, растворами солей железа и алюминия и др.
Среди этих способов наибольшее распространение получили процессы силикатизации, основанные на совместном применении растворов жидкого сте-кла - силикатов щелочных металлов и различных гелеобразующих добавок, а также на применении суспензий портландцемента в растворах силиката натрия.
Во всех этих случаях закрепление и снижение проницаемости диспер-сных грунтов достигается в результате образования твердеющих соединений, в которых твердая фаза преимущественно представлена кремниевой кислотой, гидросиликатами, гидроалюмосиликатами или полимерсиликатами в зависимости от состава используемых растворов или суспензий.
При выборе состава структурообразователей на основе синтетических смол необходимо учитывать следующие требования: недефицитность, выпуск промышленностью в достаточно большом объеме; безопасность и нетоксич-ность; быстрота отверждения; хорошая растворимость в воде в широком диапа-зоне температур, малая вязкость раствора; обеспечение необходимой прочности и долговечности покрытия, водопроницаемость структурированных грунтов.
В практике закрепления грунтов широко применяется смолизация. Про-мышленностью выпускаются: мочевиноформальдегидная смола марок: МФ-17; крепители М-3, карбамидная смола на поли поливиниловом спирте, крепитель К и модифицированная фуриловым спиртом формальдегидная смола (МФС-0,1), а также хорошо растворимая фракация карбамидной смолы (КС-М 0,3-СВЯ).
Карбамидные смолы хорошо растворимы в воде, вязкость растворов колеблется от 0,003 до 0,005 Па·с, обладают хорошей проникающей способностью.
Покрытия на основе МФС обладают пределом прочности 0,5 - 1,5 МПа.

Защита грунтов от ветровой и водной эрозии с помощью латекса заклю-чается в нанесении на поверхность грунтов каучуковой пасты склеивающей грунтовые частицы и тем самым предотвращающие развеивание их сильными ветрами. Латексы применяются для закрепления грунтов в очагах дефляции, защиты посевов от засекания переносом мелкозема на вновь осваиваемых пло-щадях, от выдувания почв на виноградниках. Преимущество латексов заключа-ется в том, что они являются однорастворным быстротвердеющим веществом, требующим для получения покрытия малых расходов вяжего, а образующиеся покрытия являются высокоэластичными. Однако прочность летнего грунта невысокая. Наибольшее распространение получили синтетические латексы СКС-30ПХ и СК с содержанием стирола соответственно 27 и 65 %. Расход в зависимости может составлять от 0,2 до 1 т/га.
В настоящее время для укрепления сыпучих материалов находят приме-нение в качестве структурообразователей сложные копозиции высокополимер-ных соединений. Композиции состоят из полиэлектролитов - высокомолекуля-рных веществ, молекулы которых составляют анион- и катионактивные групп-пы. Вещества, содержащие противоположно заряженные группировки, взаимо-действуя между собой, образуя поликомплексы. Для их получения достаточно смешать водные растворы двух полиэлектролитов анионного и катионного. Ре-акция образования поликомплекса протекает практически мгновенно. Физико-химические и механические свойства поликомплекса отличаются высокой про-чностью.

Пути свершенствования физико-химического метода противоэрозионной защиты:
- разработка рациональных способов иньецирования в грунт укрепляющего агента в сочетании с рыхлением и уплотнением укрепляемой поверхности;
- выбор или разработка укрепляющих составов, предназначенных для каждого конкретного сочетания инженерно-геологических, инженерно технических, природно-климатических условий и коньюнктурных ситуаций;
- механизация основных и вспомогательных процессов, а именно: подача реагентов от склада к растворному узлу, совершенствование процесса приготовления растворов, оперативная подача растворов к укрепляющим агрегатам и внесение растворов в укрепляемую поверхность.
Таким образом, многообразие природных и технических факторов при-вело к созданию множества различных способов противоэрозионной защиты, по принципу их осуществления относящихся к одному из трех вышеуказанных методов.
Механический метод имеет ограниченное применение и используется в основном как вспомогательный в сочетании с остальными.
Биологический метод в наибольшей степени соответствует современным экологическим требованиям, поскольку одновременно с противоэрозионной защитой поверхности способствует восстановлению гармонии техногенных и природных ландшафтньх комплексов и улучшению состояния окружающей среды.
К недостаткам этого метода относятся трудоемкость, высокая затратность, особенно при укреплении крутонаклонных поверхностей. Он может применяться только для закрепления погашаемых, выводимых из эксплуатации поверхностей инженерных сооружений. Кроме того, в зонах сильно развитой эрозии этот метод используется только в сочетании с другими, преимущественно с физико-химическим методом для первичного закрепления поверхности.
Физико-химический метод противоэрозионной защиты в сравнении с приведенными выше является наименее трудоемким и наиболее дешевым. Метод универсален по отношению к свойствам укрепляемой поверхности и факторам внешнего разрушающего воздействия и может быть рекомендован для использования в специфических условиях эксплуатации горных предприятий.