Горнодобывающая промышленность

Предприятия горнодобывающей и перерабатывающей отрас­лей оказывают наибольшую техногенную нагрузку на окружаю­щую среду. Так, в 2000 г. площадь нарушенных горными работа­ми земель на территории России составила 1282,6 тыс. га, более 10 % которых приходится на хранилища твердых отходов; 20 % очагов загрязнения подземных вод связано с проникновением загрязняющих веществ из накопителей отходов.

Подземная разработка месторождений полезных ископаемых ведется на шахтах (уголь, вязкие битумы, соль, погребенные рос­сыпи) и рудниках (руды черных и цветных металлов).

После переработки полезных ископаемых и их доставки до предприятия-потребителя рационально используется не более 1 % общей массы. Сама добыча сопровождается огромными сопут­ствующими массами невостребованного вещества. Так, при со­временном мировом объеме добычи угля и сланцев более 3 млрд т в год выход твердых, жидких и газообразных отходов составляет более 10 млрд т в год, т.е. более 3 т отходов на 1 т добытого то­варного твердого топлива. Выброс отходов предприятий по добыче, обогащению и потреблению твердого топлива в основ­ных бассейнах составляет 400 — 600 кг на человека в год.

Увеличивающиеся масштабы извлечения минерально-сырье­вых ресурсов и рост степени взаимодействия человека с природ­ной средой вызывают увеличение экологического риска, посколь­ку горное производство дает не только материальную основу су­ществования общества, но и характеризуется повышенной опас­ностью технологических процессов, негативным воздействием их на окружающую среду и здоровье человека, а также воздействи­ем самой окружающей среды на человека в рамках природно-про-изводственных комплексов (ППК).

Угольная промышленность по объему выбросов техногенных компонентов занимает шестое место, и ее доля в общем балансе техногенного загрязнения не превышает 5—10%. Более значи­тельными источниками загрязнений являются предприятия теп­лоэнергетики (25 %), черной (17 %) и цветной (10 %) металлургии.

Проблема энергетических отходов наиболее актуальна в угле­добывающих регионах. Сегодня развитие угольной промышлен­ности является нерегулируемым процессом, ведущим к наруше­нию экологического равновесия природной среды и переходу ее в ранг бедственного кризисного и критического уровней, негатив­но отражающихся на медико-демографическом состоянии насе­ления и состоянии природных ресурсов. Экстенсивное развитие традиционного недропользования дает планируемое увеличение нагрузки на окружающую среду в 2010 —2020-е гг. на 25 % по ана­логии с тенденцией за последние 5 лет, и при размещении гор­нодобывающих предприятий в освоенных районах будет достиг­нут еще больший рост негативных показателей.

В то же время существует реальная возможность перехода на другие, менее жесткие, уровни воздействия техногенеза, в част­ности угледобычи, соответствующие эффективному снижению негативных воздействий производства и обеспечиваемые комплексом средств инженерной защиты компонентов окружающей среды.

Основные направления регулирования процессов загряз­нения и защиты окружающей среды включают:

• снижение уровня загрязнения от теплоэнергетических уста­новок малой, средней и большой мощности в 3— 10 раз на осно­ве реорганизации и модернизации котельных и ТЭЦ;

• снижение загрязнения среды от транспортировки угля путем глубокой его переработки в высоколиквидные продукты с полу­чением жидких и газообразных топлив вблизи от мест добычи;

• широкое использование в энергетике горючих твердых отхо­дов горного, лесного и других производств с получением новых облагороженных топлив;

• внедрение новых технологий глубокой переработки твердых топлив в районе их добычи с получением ликвидных продуктов;

• каптирование и использование попутного метана при разра­ботке нефтяных и угольных месторождений;

• рациональное использование твердых горючих отходов гор­нодобывающей и лесной отраслей, обеспечивающих сокращение изъятия земель, выделения в атмосферу газообразных и пылевых веществ.

Анализ технологии и опыт переработки твердых горючих ма­териалов показывает, что эколого-экономическая эффективность газификации может быть достигнута путем разделения на две последовательные стадии:

1) аллотермический каскад, где осуществляется предваритель­ный нагрев пылеугольной смеси;

2) пароплазменный каскад, куда поступают пароводяная плаз­ма и частично прогазифицированная пароугольная смесь из ал-лотермического каскада реактора.

Эколого-экономический эффект технологии получения жид­ких топлив из углей на основе гидрогенизации существенен: при реализации такой технологии получают жидкое топливо из угля по конкурентоспособным ценам в сравнении с производством его из нефтяного сырья.

Нехимические методы получения жидкого топлива из углей также являются эффективными технологиями, направленными на рациональное развитие предприятий энергетики. Использова­ние сверхвысокочастотной энергии для диспергирования и очи­стки угольного топлива является наиболее энергосберегающим при получении ультрадисперсного угля с частицами размером менее 20 — 40 мкм. Кроме того, этот метод определяет новые воз­можности, связанные с очисткой от золы обрабатываемого угля в процессе измельчения. При использовании ультрадисперсного угля вместо мазута при сжигании низкокалорийного топлива сто­имость топлива вместе со стоимостью электроэнергии будет при-

мерно в 2,5 раза меньше. Экономические расчеты использования смесей на основе ультрадисперсного угля для замены дизельного топлива показали, что стоимость этих смесей в два раза меньше стоимости дизельного топлива.

В современной природоохранной стратегии и тактике внедря­ются два подхода к освоению новых технологий: «наилучшая до­стигнутая» и «наиболее экологичная» технологии. Часто, по сути, обе разновидности совпадают.

Технологические решения и предложения, перечисленные выше, относятся к этому классу и способны при массовом вне­дрении смягчить многие воздействия горнодобывающего произ­водства.

Основная технологическая схема горнодобывающего произ­водства состоит из следующих инвариантных к виду полезного ископаемого операций:

• извлечение горной массы (сопровождается деформацией мас­сива пород, разрушением поверхности, снижением продуктивно­сти почв, снижением устойчивости сооружений и коммуникаций, изменением гидрогазодинамики массива и акваторий, изменени­ем химизма породного массива, силовых полей);

• вентиляция подземных выработок (загрязнение атмосферно­го воздуха пылью и продуктами взрывания);

• шахтный водоотлив (загрязнение подземных и поверхност­ных вод);

• перемещение добытого вещества;

• складирование добытого вещества (сопровождается отторже­нием земель, механическим, химическим, радиационным загряз­нением среды, изменением аэродинамики среды);

• потребление продукции и образование твердых, жидких и газообразных отходов (сопровождается загрязнением аквато­рий, сокращением водных запасов, снижением плодородия почв, затоплением, заводнением и деформированием поверх­ности, газодинамическим, акустическим и радиационным за­грязнением);

• потребление и выделение энергии (воздействие силовых по­лей, тепловые, световые и другие физические эффекты).

Основные типы нарушений — геомеханические, гидромехани­ческие, аэродинамические, биоморфологические; главные разно­видности загрязнений — литосферные, гидросферные, атмосфер­ные, биоценотические.

Основные формы нарушений: геомеханических — деформа­ции. провалы, выемки, насыпи; гидродинамических — зарегули­рование, затопление, истощение, заводнение, подпор; аэродина­мических — разрежение, возмущение, инверсия; биоморфологи­ческих — повреждение, уничтожение, распучивание.

Среди литосферных загрязнений выделяют засорение, запыле-ние, замазучивание, закисление, заиливание, засоление химичес­кими веществами (твердыми, жидкими и газообразными), закис­ление, минерализация, замутнение и загазованность; гидросфер-ных — основные формы сапробных загрязнений — эвтрофия и гипертрофия; атмосферных — загазованность, заражение, запы-ление, задымленность; биоценотических — зарастание, некроз и др.

Подземные горные работы оказывают большое влияние на гидрогеологию прилегающих территорий. При извлечении боль­ших объемов полезного ископаемого, особенно с использовани­ем систем разработки с обрушением налегающих пород, в зону сдвижения вовлекаются водоносные горизонты, часто на значи­тельных площадях.

Огромные массы вод, которые откачивают из рудников, ока­зывают негативное воздействие на состояние гидроресурсов и почв не только вблизи места ведения горных работ, но и на зна­чительных прилегающих территориях.

Сливаемые шахтные воды сильно загрязняют поверхность и грунтовые воды, не позволяя использовать почву в традиционных для данного района направлениях. Наиболее распространенны­ми загрязняющими веществами рудничных вод считаются хлори­стые соединения и свободная серная кислота, которой часто со­путствуют растворимые соли, главным образом сульфаты железа, меди, цинка, марганца, никеля и др. По хлористым и сернистым соединениям, а также содержанию Са, Mg, Na, К рудничные воды превосходят техническую воду в 5— 15 раз, что исключает возмож­ность их использования без предварительной очистки и нейтра­лизации даже в технологических целях. Особую опасность пред­ставляют соединения тяжелых металлов.

Системы экологической безопасности на горных предприятиях ориентированы на постоянный мониторинг геомеханического состояния породного массива, транспортных путей, вентиляци­онных и водоотливных средств, а также сопряженных с ними очистных сооружений. Самостоятельную задачу составляет так­же непрерывный анализ загазованности и запыленности горных выработок для предупреждения взрывоопасных ситуаций.

Защита водотоков предусматривает:

• организованный сток ливневых и технических вод путем ус­тройства специальных гидротехнических сооружений (водосбор­ных лотков, бетонных водовыпусков и т.д.);

• строительство отводных каналов или специальных устройств для пропуска воды естественных водотоков и перехвата склоно­вого стока при размещении породных отвалов в балках и овра­гах;

• устройство обвалования, нагорных канав, водоотводов и дру­гих простейших гидротехнических сооружений при размещении отвалов и карьеров на склонах;

• формирование бортов карьерных выемок и откосов отвалов, устойчивых к оползням и осыпям, поверхностей отвалов — к просадкам;

• обеспечение мероприятий по регулированию водного режи­ма в рекультивационном слое, особенно если он сложен порода­ми, обладающими неблагоприятными водно-физическими свой­ствами;

• создание экрана из капилляропрерывающих или нейтрали­зующих материалов (песок, камень, гравий, пленка и т. п.) при на­личии в основании рекультивационного слоя токсичных пород;

• мероприятия, исключающие заболачивание рекультивируе­мой поверхности;

• формирование отвалов из пород, подверженных горению, по технологической схеме, исключающей их самовозгорание; при этом рекультивационный слой отвалов должен создаваться из пород, пригодных для биологической рекультивации.

При подземном способе разработки необходимо:

1) перед отсыпкой шахтных отвалов с отведенных под них уча­стков снимать плодородный слой почвы;

2) в рекультивацию земель, нарушенных вследствие опускания земной поверхности с образованием на ней прогибов и провалов, включать снятие плодородного слоя почвы, планировку поверх­ности прогибов, заполнение провалов горной породой с после­дующей планировкой с нанесением плодородного слоя почвы, проведение мероприятий по предотвращению неблагоприятных процессов (иссушения, заболачивания, эрозии);

3) при создании водоемов в незаполненных горной породой шахтных прогибах и провалах соблюдать условия, сформулиро­ванные для водохозяйственного направления рекультивации.

Снизить отрицательное влияние хвостохранилищ можно путем создания на обогатительных фабриках переделов по фильтрации шламовых пульп с подачей твердой фазы на закладку или в отвал, а жидкой — в оборотное водоснабжение фабрики; организации постоянного цикличного оборота нескольких карт хвостохрани­лищ, позволяющего исключить расширение занимаемых ими площадей.

Основными техническими направлениями реализации требо­ваний по охране гидроресурсов могут быть: выбор оптимальных методов и оптимальной степени очистки сбрасываемых шахтных вод в зависимости от местных условий с учетом возможного ис­пользования очищенных вод; применение специальных мер по изоляции горных выработок от водоносных горизонтов для предотвращения или уменьшения водопонижения под воздействием шахтного водоотлива в прилегающем к горному предприятию районе.

Анализ горно-геологических условий залегания запасов вклю­чает определение:

• мощности зоны аэрации;

• параметров влагоемкости пород и сезонной динамики влаго-насыщенных отложений;

• механического состава и пористости пород;

• генезиса и стратификации отложений.

При этом экологическую значимость имеют свойства подсти­лающих грунтов, которыми характеризуется механизм массообме-на между почвенными отложениями и горизонтом пород с напор­ным движением подземной влаги. Анализу подлежат отсутствие или наличие гидравлических связей, сезонная смена режимов увлажнения с атмосферно-промывочного на капиллярное подпи­тывание подземными растворами, транзитный перенос с делюви­альными процессами и т.д.

Водопотребление при добыче и переработке полезных ископа­емых обычно связано с хозяйственно-бытовыми и коммунальны­ми нуждами, производственными и техническими, а также с по­жаротушением. Для этого используют системы водоснабжения, в состав которых входят водозаборные сооружения, насосные стан­ции, станции очистки и подготовки воды, магистральные или разводящие трубопроводы или каналы, резервуары и водонапор­ные башни, а также вспомогательные сооружения: лаборатории, склады и др.

В соответствии с видами водопотребления системы водоснаб­жения разделяют на хозяйственно-питьевые, технические (произ­водственные) и противопожарные. Они могут быть как раздель­ными, так и совмещенными, по способу подачи воды — самотеч­ными, с механической подачей и зонными, а по способу ее ис­пользования — прямоточными, оборотными, с повторным ис­пользованием.

В прямоточных системах вся забираемая вода задействована в технологических или других процессах однократно, после чего передается на очистку и сброс. В оборотных системах предусмат­ривается многократное использование воды без ее сброса в при­родные воды, но каждый цикл использования должен предусмат­ривать при необходимости очистку (кондиционирование). Для компенсации безвозвратных потерь проводится постоянная или периодическая подпитка систем оборотного водоснабжения. По­вторно-последовательное использование воды предусматривает несколько технологических процессов, а затем очистку воды и сброс.

Основные направления совершенствования водопотребления горнодобывающих предприятий — сокращение потребления воды питьевого качества из рек, озер и городского водопровода, а так­же расширение использования шахтных и карьерных вод для хо­зяйственно-бытовых и технических нужд. Для этого проводится детальный анализ работы горного предприятия и разрабатывает­ся ситуационный план (графический документ) расположения вод­ных объектов, инженерных сооружений и устройств по использо­ванию и охране водных ресурсов, на котором показано располо­жение на местности всех водных объектов, линий водопотребления и водоотведения, водозаборов и других сооружений (рис. 3.2).

Один из наиболее важных графических документов, по кото­рому можно судить об эффективности использования водных ресурсов на предприятии, — схема водопотребления и водоотве­дения. Важнейший вид этих мероприятий — создание специали­зированной сети наблюдательных скважин на крупных горнопро­мышленных объектах для контроля за состоянием подземных вод. Специализированные защитные меры включают:

• ликвидацию области загрязнения подземных вод путем их откачки до практически полного стягивания контура загрязне­ния;

• локализацию области загрязнения путем откачки загрязнен­ных вод до стабилизации контура загрязнения и недопущения дальнейшего распространения загрязняющих веществ по водо­носному горизонту;

• создание гидравлических водоразделов (завес) между обла­стью загрязненных вод и эксплуатируемыми чистыми подземны­ми водами;

• создание гидравлического водораздела по вертикали путем одновременного отбора чистых и загрязненных вод ярусной си­стемой скважин;

• создание непроницаемых экранов (стенок) в водоносном го­ризонте вокруг области загрязнения.

Сельское хозяйство

При проектировании сельскохозяйственных объектов необ­ходимо учитывать характер и состояние существующего сель­скохозяйственного использования земель (перечень основных землепользователей — производителей сельскохозяйственной продукции, их специализацию, площади используемых сельско­хозяйственных угодий, урожайность основных сельскохозяй­ственных культур, объемы производства, общее поголовье ско­та и птицы, валовые объемы продукции растениеводства и жи­вотноводства за последние 5 лет и стоимость сельскохозяйствен­ной продукции, сведения о наличии объектов производственно­го, жилищного и культурно-бытового назначения сельскохозяй­ственных предприятий, затрагиваемых (нарушаемых) проекти­руемым объектом).

Характеристики сельскохозяйственного использования терри­тории района должны быть вынесены на карту масштаба 1:50 000 (1:100 000) с указанием размещения основных землепользовате­лей-производителей сельскохозяйственной продукции, сельхоз­угодий, объектов производственного, жилищно-бытового и дру­гого назначения сельскохозяйственных предприятий, расположе­ния проектируемого объекта и его СЗЗ, селитебных районов и других элементов картографической ситуации.

Сельскохозяйственные районы весьма различны по природ­ным условиям, типам землепользования и степени освоения. Тем не менее экологические проблемы в них имеют много общего. Это связано со следующими обстоятельствами:

• охват антропогенными нагрузками больших площадей, иног­да практически на 100 %;

• малая лесистость и небольшие площади лугово-степных уча­стков;

• значительная обнаженность и эрозированность почвенного покрова;

• преобладание в почве, воде и грунтах определенных видов загрязнения, связанных с удобрениями.

Перечисленные обстоятельства свидетельствуют о специфике экологического состояния сельскохозяйственных районов, о пра­вомерности выделения «агроэкологического» типа оценок терри­тории.

Основной аспект агроэкологической оценки — анализ условий развития сельскохозяйственных растений, их роста, фенологии, урожайности, отношения к удобрениям, болезням, сезонным из­менениям условий тепла и влаги — морозам, заморозкам, засу­хам, переувлажнению.

Экологические условия сельскохозяйственных угодий наибо­лее изменчивы на площадях богарного, неполивного земледелия. Они более стабильны в зонах орошения, где мероприятия по ме­лиорации ослабляют влияние внешних условий.

При оценке районов сельского хозяйства важно определить степень устойчивости экосистем к антропогенным нагрузкам. Устойчивость повышается от песчаных грунтов к глинистым, от щелочных почв к кислым, при снижении континентальности климата, нарастании годового увлажнения и увеличении биоло­гической продуктивности фитоценозов — как естественных, так и культурных.

Большая устойчивость угодий западных и северо-западных районов России к антропогенным нагрузкам не всегда имеет ре­шающее значение для сохранения экологического состояния. Дело в том, что для этих районов характерны более интенсивные типы землепользования, большие дозы вносимых удобрений. Максимальная интенсификация хозяйства характерна для терри­торий, прилегающих к крупным городам и промышленным зонам (Москва, Санкт-Петербург), которых также больше в западных районах. Очевидно, объективная оценка экологического состоя­ния возможна лишь при равном учете природных и экономиче­ских факторов.

Кардинальные изменения природной среды сельскохозяй­ственных районов обусловлены тем, что на площадях угодий ме­няются потоки вещества, нарушается твердый, жидкий и раство­ренный сток. Вырубка лесов увеличивает смыв почвы, приводит к заилению русел, водохранилищ, пойменных массивов. Расходы водотоков при сокращении лесных площадей на 10 % снижают­ся в среднем на 5 %. Активная миграция элементов по склонам, их быстрое поступление в водоемы с одновременным сокращением стока приводит к сильному загрязнению поверхностных вод. Это загрязнение может быть токсичным, поскольку такие опас­ные химические элементы, как кадмий, ртуть, стронций, свинец, цинк наиболее подвижны в большинстве видов почв.

Прилегающие к крупным населенным пунктам сельскохозяй­ственные районы на площадях в сотни квадратных километров испытывают влияние промышленного загрязнения. Наибольшую роль здесь играет загрязнение серой, которая в виде сернистых соединений легко разносится воздушными потоками. В нормаль­но увлажненных нейтральных почвах влияние этого вида загряз­нения невелико, но в кислых оно усиливает подкисление. На переувлажненных почвах, особенно на поймах, это может приве­сти к резкому закислению после осушения.

На мелиорированных землях (например, в Нечерноземье) но­вые биоценозы, ядром которых служат агроландшафты, облада­ют низкой устойчивостью в результате изменения класса водной миграции химических элементов: природный Н —Fe-класс (для таежной зоны, по А. И. Перельману) — заменяется Са-классом. В компонентах экосистем искусственной гидрографической сети изменяется видовой состав и биомасса высшей водной раститель­ности, динамика накопления иловых отложений, их качествен­ный состав, гидрохимические показатели внутрипоровых раство­ров. Основные потоки биогенных элементов в экосистемах искус­ственной гидрографической сети связаны с дренажным и поверх­ностным стоком, аккумуляцией в водной растительности и ило­вых отложениях, поступлением с диффузионными потоками из илов, изъятием из экосистемы при проведении регламентных очистных работ, являющихся конкретной реализацией механиз­ма самоочищения.

Мелиорированные угодья нуждаются в организации водоох­ранных сооружений, препятствующих смыву в искусственную гидрографическую сеть удобрений и биогенных веществ: отстой­ников-биопрудов, биоканалов, рассеивающих выпусков и водо-аэрационных сооружений. Указанные сооружения реализуют природоймитирующий принцип мелиоративного освоения водо­сборов (имитируют речное русло в его естественном состоянии), повышают экологическое разнообразие мелиорируемых водосбо­ров и создают комплексные ландшафтно-геохимические барьеры на пути потоков загрязненных вод.

В целом экологические проблемы водной мелиорации связа­ны с вторичным засолением почв, снижением запасов гумуса, загрязнением почв и вод пестицидами и удобрениями, потеря­ми воды на фильтрацию и непродуктивное испарение, снижени­ем биологической продуктивности лесов в зонах влияния осуше­ния.

Существуют определенные требования к проектированию био­инженерных сооружений для очистки ливневых и талых вод, по­ступающих с территорий объектов инфраструктуры сельскохозяй­ственного производства (например, каскады дренированных на­клонных площадок и каналов-биопрудов).

Обязательным элементом проектов осушения и использования заболоченных земель должен быть комплекс противопожарных мероприятий, необходимость в котором возникает при мощнос­ти торфа более 0,3 м в неосушенном состоянии и зольности ме­нее 50 %. Наиболее эффективным противопожарным мероприя­тием, одновременно улучшающим водно-физические свойства, снижающим интенсивность минерализации торфа и повышаю­щим урожайность сельскохозяйственных культур, является внесе­ние минеральных грунтов в объеме, обеспечивающем зольность пахотного слоя более 50 %. Внесение минерального грунта в тор­фяные почвы можно осуществлять путем вспахивания подстила­ющего минерального грунта на мелкозалежных торфяниках, при разравнивании кавальеров на каналах, врезающихся в минераль­ные грунты, при срезке минеральных бугров в процессе плани­ровки поверхности мелиорируемых земель, за счет подвозки ми­нерального грунта при строительстве водоприемников, прудов и других сооружений.

В качестве источников противопожарного водоснабжения осу­шаемых торфяников могут использоваться водохранилища, пру­ды, реки, озера, открытая осушительная сеть с подпорными ре­гулирующими сооружениями, специально устраиваемые противо­пожарные водоемы и подземные воды. Расчетная величина сто­ка для источников противопожарного водоснабжения принима­ется равной минимальному среднемесячному меженному стоку обеспеченности 75 %.

Расстояния между подводящими воду каналами, трубопрово­дами, противопожарными водоемами и скважинами устанавли­вают исходя из радиуса действия пожарных агрегатов. Как пра­вило, эти расстояния должны быть не более 500 м (при длине по­жарных рукавов до 250 м).

Число и размеры противопожарных водоемов, питающихся грунтовыми водами, определяют исходя из расчетного противо­пожарного запаса воды.