ПРИ ОСВОЕНИИ НЕДР

Процесс техногенного разрушения литосферы при получении необходимых полезных ископаемых порождает разветвленную систему разнообразных воздей­ствий на экосистемы природно-территориальных комплексов, в пределах которых располагаются добывающие предприятия. Величина и качество этих воздействий определяются типом геотехнологии, применяемой при добыче полезного ископа­емого, а экологические последствия — особенностями строения нарушаемой при этом экосистемы. Поэтому при изучении всего комплекса этих вопросов целесо­образно дифференцированно рассматривать техногенные факторы как свойство той или иной геотехнологии и воздействие этих факторов — как реакцию кон­кретной биологической системы, попавшей под его влияние.

По причинам своего возникновения все техногенные факторы геотехнологий достаточно четко разбиваются на две большие группы:

являющиеся прямым следствием антропогенного разрушения литосферы и формирования в ней нового литосферного объекта — техногенно измененных недр;

зависящие от характера применяемых при техногенном изменении недр геотехнологий.

По времени существования техногенных факторов можно выделить:

существующие только в период эксплуатации месторождения;

существующие при эксплуатации месторождения и после ее завершения;

появляющиеся после завершения эксплуатации месторождения.

По возможностям снижения экологической опасности реального добываю­щего предприятия техногенные факторы (и их воздействия) делятся на:

устранимые за счет введения в технологию дополнительных мероприятий;

устранимые за счет замены применяемой технологии;

неустранимые для данного вида производства.

Вскрытие месторождения осуществляется проведением до полезного ископа­емого горных выработок, открывающих доступ к нему с земной поверхности. Они называются выработками вскрытия и включают в себя шахтные стволы и штольни различного назначения, околоствольные выработки, квершлаги, капитальные ру­доспуски. При проведении всех этих выработок возникающие на их контуре напря­жения и деформации со временем релаксируют и не вызывают сколько-нибудь за­метных изменений в окружающих природных образованиях литосферы. Развитие возмущений, вызываемых фактом формирования таких протяженных полостей, ограничивается поверхностными изменениям на контуре выработок, а вся картина перераспределения напряжений охватывает незначительную часть массива, непо­средственно прилегающую к выработкам. То есть возмущения налегающей толщи горных пород носят локальный характер и по отношению к экосистемам на земной поверхности не являются экологически опасным фактором.

При доминирующем сегодня в горной промышленности буровзрывном спосо­бе проходки в природные экосистемы выбрасывается минеральная пыль и взрыв­ные газы, а также откачиваются минерализованные шахтные воды. Сейсмическим воздействием вслед-ствие малых масштабов взрывания, видимо, можно прене­бречь. Весь объем пород, вынимаемых на этой стадии освоения месторождений, складируется на земной поверхности, для чего неизбежно отторгается часть тер­ритории природного комплекса.

На стадии вскрытия месторождения обычно формируется и основная инфра­структура поверхностного комплекса предприятия. Согласно действующему за­конодательству, получение горного отвода не дает права на использование по­верхности земли. Поэтому на каждый промышленный объект выделяется земель­ный отвод, величина которого представляет собой часть площади экосистемы. Функциональная структура этих площадей достаточно однотипна для всех горных предприятий, а размер возрастает не прямо, но пропорционально годовой добы­че горной массы.

На стадии отработки основных запасов месторождения литосфера подверга­ется максимальным изменениям, экологические последствия которых хотя и раз­нообразны, но тем не менее имеют достаточно хорошо выраженную внутреннюю структуру.

Все многообразие технических и технологических решений, используемых при освоении месторождений твердого минерального сырья, можно объединить в не­сколько групп, каждая из которых по-своему влияет на изменение свойств природ­ных объектов литосферы, характеризуется своими геомеханическими параметра­ми, динамикой и масштабами последствий техногенного вторжения в литосферу.

Для каждой из этих групп характерны свои, только ей присущие способы тех­ногенного изменения свойств участков литосферы, включающих месторождения минерального сырья, и свои последствия при восстановлении равновесия в техно­генно измененных участках недр после завершения процессов добычи полезных ископаемых.

К первой группе относятся технические и технологические решения, связан­ные с образованием полостей различной конфигурации в недрах литосферы, обла­дающих природной способностью противостоять возмущению исходного природ­ного поля напряжений, вызванного образованием таких полостей. Возникающие на контуре выработок напряжения и деформации со временем релаксируют без сколько-нибудь заметного влияния на состояние окружающего массива. Время существования таких выработок очень велико, и они не вызывают сколько-нибудь заметных изменений в окружающих их литосферных объектах.

Сюда относятся выработки различного назначения при подземном строитель­стве, очистные выработки при добыче штучного камня, каменной соли, руд чер­ных и цветных металлов, особенно при разработке месторождений под дном мо­рей и водоемов, когда несущие целики рассчитываются на длительную прочность с большим запасом. Этот способ выемки характеризуется низким (около 30 — 40 %) извлечением полезного ископаемого; основная масса запасов месторождения при этом сосредоточена в целиках.

Ко второй группе относятся наиболее распространенные в угольной промыш­ленности, черной и цветной металлургии, на предприятиях химической промыш­ленности технологии добычи минерального сырья с обрушением налегающей тол­щи пород. Различные модификации этого способа разработки применяются при выемке пологих, наклонных и крутых залежей любой формы, начиная с поверх­ности и до глубин, исчисляемых тысячей и более метров. Основной отличительной чертой этих технологий является обязательное обрушение налегающей толщи по­род вслед за выемкой полезного ископаемого. Отработка месторождения осу­ществляется планомерно сверху вниз при выемке крутопадающих или наклонно- падающих рудных тел или пластов либо от центра к флангам или от одного фланга к другому — при выемке пологих залежей или пластов.

В результате по мере отработки месторождения происходит заполнение вы­работанного простран-ства обрушенными вмещающими породами, развитие зон неупругих перемещений за зоной непосред-ственного разрыхления пород и об­разование мульды сдвижения пород на поверхности. Эти процессы развиваются параллельно с отработкой месторождения, а после ее завершения происходит по­степенное затухание необратимых деформаций во вмещающих породах и уплот­нение обрушенных пород внутри мульды сдвижения.

При выемке пластовых месторождений формирование мульды сдвижения и ее параметров происходит аналогичным образом.

В целом техногенное вторжение такого рода может рассматриваться как объ­ем определенных размеров, изменение которого сопровождается необратимы­ми процессами в ближней зоне и последующим уплотнением этой зоны за счет развития процессов неупрутого расширения (разрушения) пород вглубь массива. Границы зоны техногенного изменения пород литосферы при этом определяют­ся условием достижения равновесия между величиной реакции бокового распо­ра нетронутого массива и отпором, создаваемым обрушенными и уплотненными породами зоны обрушения. При выходе этих нарушений на земную поверхность происходит ее деформация (вплоть до полного разрушения) со всеми вытекающи­ми отсюда экологическими последствиями.

Третья группа технологий разработки месторождений минерального сырья связана с процессом заполнения выработанного пространства по мере выемки полезного ископаемого искусственно получаемым материалом с определенны­ми прочностными и деформационными свойствами. Иногда для уменьшения ве­личины деформаций налегающей толщи пород и сокращения затрат на создание искусственного материала с необходимыми прочностными и деформационными свойствами в выработанном пространстве оставляются регулярные вертикальные целики, работающие за пределом прочности. Будучи размещенными в массиве за­
кладки, они выполняют своеобразную роль арматуры, изменяя деформационные свойства материала, заполняющего выработанное пространство.

Аналогичным образом происходит и деформирование вмещающих пород при разработке нефтяных и газовых месторождений, когда по мере выработки неф­ти и газа снижается противодействие давлению налегающих пород, и они оседа­ют над продуктивной толщей плавно на величину, соизмеримую с объемом выра­ботанной нефти или газа.

Таким образом, в третьей группе технологий техногенное вторжение в литос­феру характеризуется тем, что изъятый объем материала литосферы замещается техногенным материалом с известными (заданными) прочностными и деформа­ционными свойствами, которые определяют масштабы переходной зоны, форми­рующей вместе с изъятым объемом материала техногенно измененные недра как новый литосферный объект. По характеру релаксационных процессов и экологи­ческим последствиям эта группа занимает промежуточное положение между дву­мя описанными выше.

В результате использования наиболее распространенных способов антропо­генного вторжения в литосферу с целью извлечения минеральных ресурсов боль­шие ее участки переходят в новое качественное состояние. Возникают обшир­ные зоны деформации, затрагивающие подрабатываемые массивы горных пород вплоть до земной поверхности. Развитие этих процессов активно нарушает равно­весие элементов гидросферы Земли за счет изменения режима обращения подзем­ных и поверх-ностных вод, а также их загрязнения и засорения.

Полное или частичное нарушение водоупорных оснований горизонтов глу­бинных вод, попавших в зоны обрушения, разломов и активных трещин, приво­дит к интенсивному дренажу подземных вод в горные выработки. Реакция геотех­нологии на это физическое явление выражается в создании системы активного водоотлива. Интенсивное удаление подземных вод из зоны горных работ приво­дит к понижению их свободной или напорной поверхности и формированию об­ширной воронки депрессии, охватывающей всю толщу налегающих пород до зем­ной поверхности, а также к загрязнению поверхностных водотоков.

Описанные выше изменения состояния налегающей толщи пород и связан­ное с этим нарушение водоупорных оснований пластов не только изменяет схему и баланс обращения подземных вод, но и является, по сути, первопричиной появ­ления еще одного экологически значимого фактора горного производства — сбро­са на земную поверхность откачиваемых из подземных выработок шахтных вод.

В схематическом виде общая структура формирования типовых техногенных факторов при подземном освоении недр приведена на рис. 13.1.

Площадь, занимаемая твердыми отходами производства при подземной раз­работке месторождений, зависит не только от применяемой геотехнологии, но и от геологического типа месторождения, масштаба производства и характера ис­пользования добытого полезного ископаемого

Особенностью экологических последствий развития горного производства является то, что некоторые техногенные экологические факторы, возникающие в результате техногенного изменения недр или как следствие применяемых при этом технологий, не только нарушают состояние экосистемы, но и сами по себе становятся причиной появления вторичных техногенных экологических факто­ров, характер и интенсивность влияния которых на природные объекты зави­сят уже не от геотехнологии, применяемой при выемке запасов, а от внутренних свойств и особенностей первичного техногенного фактора. Очень важно, что дей­ствие большинства вторичных факторов продолжается и после завершения раз­работки месторождения. Наиболее развитая система вторичных факторов появ­ляется в связи с отторжением земной поверхности в различных целях (рис. 13.1). Причем именно от этих целей (т. е. от способа использования отторгаемых участ­ков земной поверхности) и зависит структура появляющихся вторичных экологи­ческих факторов (рис. 13.2).

При складировании на этих участках твердых отходов (отвалы пустых по­род и бедных руд, а также хвостохранилища обогатительных фабрик) вследствие физико-химических изменений состояния материала отвалов под влиянием при­родных воздействий (осадки, перепады температур, окисление и т. д.) эти отвалы могут загрязнять окружающую среду пылью, неорганическими кислотами, хлори­дами легких металлов и солями тяжелых, газами от окисления органических ком­понентов и т. п.

Вторичное экологическое воздействие отвалов пустых пород при подземной разработке месторождений проявляется в продолжающемся после окончания горных работ химическом загрязнении окружающей среды за счет естественного выщелачивания химически активных минералов (чаще всего сульфидов или хло­ридов). Время существования этого техногенного фактора ограничено и опреде­ляется в каждом конкретном случае минеральным составом горных пород и их свойствами.