CC BY
23
СЕМИНАР 4
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 98" МОСКВА, МГГУ, 2.02.98 - 6.02.98
Ю.П. Галченко, д.т.н., Л.И. Бурцев, к.т.н., Г.В. Сабянин, горный инж. ИПКОН РАН ИПКОН РАН ИПКОН РАН
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ СОСТАВЛЯЮЩАЯ УСТОЙЧИВОГО РАЗВИТИЯ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ПОДЗЕМНОЙ ДОБЫЧЕ РУД
Глобальный характер нарастающих противоречий между разумом и природой, опасности, порождаемые этими противоречиями для развития цивилизации, выдвинули в последние годы проблему разрешения этих противоречий в число первых приоритетов дальнейшего развития человеческой цивилизации. Все более ясное понимание того, что в рамках используемой модели индустриального развития, защита и сохранение природной среды носит характер борьбы со следствиями, а не с причинами, предопределило настоящую необходимость поиска иной модели развития цивилизации. Такая модель впервые была принципиально обозначена в докладе Всемирной комиссии ООН по окружающей среде и развитию (1987 г.) и предложена, как основная перспектива развития мирового сообщества, на конференции ООН по окружающей среде и развитию в Рио-де-Жанейро (1992 г.) [1]. В основу этой модели положены принципы «sustainable development», которые в нашей стране трактуются, как стратегия устойчивого развития природы и общества [2]. Эти принципы представляют собой сложную совокупность взаимно детерминированных социальных, экономических, политических, духовно-
нравственных, межнациональных, экологических и других позиций. При этом успех будущих действий, как на национальном, так и на общецивилизованном уровнях, может быть достигнут только при системном подходе к проблеме.
Реализация этих принципов неизбежно потребует серьезной корректировки всей шкалы жизненных ценностей, среди которых одно из приоритетных мест зани-
мает настоятельная необходимость сохранения естественной биоты Земли, как основы удовлетворения жизненных потребностей нынешнего и всех последующих поколений людей. Такая постановка проблемы требует создания равных возможностей для развития, как техносферы, так и биосферы, то есть перехода в области охраны окружающей среды к стратегии коэволюции двух антагонистических систем [3]. А это, в свою очередь, повлечет за собой коренное изменение, как общей концепции природоохранной деятельности при добыче полезных ископаемых, так и методологической ее основы, критериальной и методической базы. Новая концепция опирается на фундаментальное положение о том, что угроза существованию человечества связана не с прямым загрязнением окружающей среды, а с разрушением естественной биоты Земли. Поэтому, независимо от темпов и направлений технического прогресса, никогда не должен превышаться допустимый порог ее возмущения [4]. Обозначенная, таким образом, конечная цель предопределяет характер методологического подхода к проблеме решение которой сводится к решению двуединой задачи, включающей в себя:
♦ поиск, на основании законов развития живой природы, меры допустимого техногенного изменения биосферы и методов определения этой меры;
♦ поиск, на основании законов развития техносферы, технологических путей обеспечения биологически заданного уровня ее воздействия на природную среду.
Учитывая антагонистический характер взаимоотношений техно-и биосферы, когда абсолютный
приоритет интересов одной стороны означает прекращение функционирования другой, реализация стратегии устойчивого развития связана с коренным изменением назначения и функциональной структуры промышленной экологии. Из раздела общей экологии, «... рассматривающего воздействие техносферы на природу и наоборот..." [5], она должна превратиться в научно-техническую дисциплину, которая обеспечила бы бесконфликтное сосуществование техно- н биосферы. В рамках этой дисциплины будут решаться два блока проблем, независимых друг от друга по содержанию и методам, но тесно связанных по конечному результату.
Система регламентации техногенного воздействия по уровню и качеству формируется в биосфере на основе биологических последствий этого воздействия на конкретную экосистему, без учета технических возможностей и экономических интересов человека.
Система технологического обеспечения биологически обоснованного уровня техногенного воздействия на природу путем целенаправленного подбора и создания новых технологий с учетом экономических, социальных и других ограничений.
Рассматривая первый, биологический, блок проблем, необходимо отметить, что экологическая опасность факторов техногенного воздействия (а значит и экологическая безопасность того или иного производства) будет определяться не столько характером этого воздействия, сколько свойствами и особенностями функционирования экосистем, воспринимающих это воздействие. При наличии огромного разнообразия ре-
ально взаимодействующих экосистем и промышленных объектов можно, тем не менее, выделить три основных типа задач промышленной экологии, различающихся конечными целями и содержанием понятия экологической безопасности:
1. Экологическая безопасность горного производства для природно-равновесных экосистем, имеющая своей конечной целью сохранение биологических видов, слагающих экосистему и условий их эволюционного развития.
2. Экологическая безопасность для искусственно-равновесных экосистем, в основном, сельскохозяйственного назначения, которая конечной целью имеет сохранение плодородия почвы, как средства производства.
3. Экологическая безопасность для урбанизированных экосистем искусственной среды обитания человека имеет своей целью сохранение его здоровья, а также - элементов инфраструктуры среды его обитания.
Недостаточный уровень знаний
о составе и принципах функционирования природных экосистем, жесткие экономические ограничения при создании и применении щадящих природу технологий, а также геологическая предопределенность расположения горных предприятий делают первый тип задач промышленной экологии наиболее сложным для решения. Основополагающей научной проблемой здесь является создание методов определения биологически обоснованных ограничений уровня техногенных воздействий. Вполне очевидно, что общий подход к этой проблеме должен базироваться не на оценке и сравнении величины техногенного воздействия, а отражать уровень биологических последствий этого воздействия.
Огромная сложность даже самых простых экосистем делает практически нереальным изучение влияния тех или иных техногенных факторов на все компоненты этих систем. Вместе с тем, современная теоретическая экология
позволяет все разнообразие путей обращения вещества и энергии в биотах экосистем свести к достаточно простой модели взаимодействия родуцентов, онсументов и редуцентов [5]. Согласно этим воззрениям, процветание и пути эволюции видов в двух последних категориях полностью зависят от состояния системы видов-проду-центов, которые, в свою очередь, представлены зелеными растениями, осуществляющими фотосинтез. То есть, проблема сохранения биоты при техногенном воздействии может быть с достаточной надежностью решена путем сохранения фитоценоза экосистемы. На современном уровне развития наших знаний в основу модели строения и функционирования фитоценозов может быть положено учение академика В.Н. Сукачева о фитогенотипах. Согласно этим взглядам, структура, видовой состав и направление циклической сукцессии фитоценозов предопределяются их эдифи-каторной синузией, в состав которой, даже в самых сложных растительных сообществах, входит ограниченное количество видов (рис.1). Использование такой функциональной модели биоты экосистем открывает реальную возможность оценки техногенных изменений системы с высоким
уровнем биологического разнообразия через изучение этих изменений для достаточно ограниченного числа автохонных видов-эдификаторов ее фитоценоза. В основу методологии определения количественных значений биологически обоснованного ограничения величины техногенных факторов может быть положен закон Либиха-
Шелфорда, согласно которому вид сохраняет свою жизнеспособность при изменении абиотического фактора в пределах зоны стресса по данному фактору [6].
Переход к биологически обоснованным граничным значениям уровня техногенного воздействия позволит разрешить главное внутреннее противоречие существующей системы регулирования взаимоотношений техно- и биосферы и привести степень дифференциации критериев, ограничивающих техногенное воздействие, в соответствие с уровнем биологического разнообразия биотической составляющей экосистем.
Проведенные в этом направлении исследования достаточно убедительно показали, что на современном уровне знаний вполне возможно создание биологически обоснованных критериев, ограничивающих уровень техногенного воздействия. Часть таких методик уже создана в нашем институте, по другим - продолжаются исследования. Но, как говорилось выше, проблема сохранения биоты в условиях развития технократической цивилизации, является проблемой чисто технологической. Даже самое достоверное знание о биологических последствиях производственной деятельности и ее регламентация на этой основе, не даст желаемых результатов, если
не будут найдены технологические пути и методы обеспечения биологически допустимых уровней воздействия. Поэтому мы попытались рассмотреть с этой точки зрения структуру техногенного воздействия горного производства и построить некую иерархию этих факторов по путям и возможностям их полного или частичного устранения. В результате возникла классификация, в которой по характеру изменений окружающей среды выделяются три класса
I класс - технологическое изменение величины жизнеобеспечивающих факторов для элементов биоты,
II класс - загрязнение абиоты агентами, ранее в ней не присутствовавшими,
III класс - прямое уничтожение элементов биоты.
Каждый класс делится на группы по природе воздействия:
1. Физические воздействия.
2. Химические воздействия.
3. Биологические воздействия.
4. Комплексные воздействия.
Каждая группа делится на типы по степени поражения первичного биоценоза, измеряемой количественным изменением его эди-фикаторной синузии:
1. Фоновое поражение.
2. Слабое поражение.
3. Умеренное поражение.
4. Сильное поражение.
5. Полное поражение.
Каждый тип делится на виды
по способу (путям) устранения:
1. Устранимые за счет замены применяемой технологии.
2. Устранимые за счет введения в технологию дополнительных (специальных) мероприятий (операций, технологических процессов).
3. Неустранимые для данного вида производства.
Реальный характер воздействия подземных горных работ на природную среду определяется в конечном итоге способом формирования и состоянием выработанного пространства (табл.1).
Существующая система технологического обеспечения сниже-
ния уровня техногенного воздействия на природу позволяет ограничить или даже устранить влияние многих из указанных в таблице факторов при любых технологиях ведения подземных горных работ.
Ограничить зону влияния вентиляционных выбросов может создание защитной полосы древонасаждений. Шахтные воды повсеместно очищают от взвесей и биологических поллютантов. При добыче руд, содержащих кислотно-генерирующие минералы, воды обычно нейтрализуют, извлекая из них тяжелые металлы. Уменьшить же до нормы количество находящихся в шахтных водах содей и ядовитых компонентов приемлемыми для производства методами обычно не удается, но ограничение или даже полное исключение сброса минерализованных вод может достигаться обратной закачкой шахтных вод в дренируемый горными работами водоносный горизонт. При больших водо-притоках целесообразно их ограничение созданием барражных завес. Участки, лишенные растительного покрова, в процессе выполнения разведочных и строительных работ могут быть защищены от эрозии посадкой соответствующей растительности.
Протечки из хвостохранилища (отстойника) зависят от водопроницаемости его основания и бортов.
В настоящее время принято защищаться от протечек устройством искусственных водоупоров из уплотненных глин или изолирующих полимерных пленок. При такой защите протечки возникают лишь в аварийной ситуации.
Среди неустранимых, на данном уровне развития горной технологии, экологически значимых факторов следует выделить неизбежное и полное поражение биоты на территориях, занимаемых промышленными зданиями и сооружениями, отвалами и хвостохра-нилищами, дорогами и жилыми комплексами. Управление экологическими последствиями здесь возможно лишь путём рациональ-
ного конструирования инфраструктуры и регулированием условий эксплуатации ее объектов.
Сильное воздействие оказывает подземное горное производство на поверхностные и подземные воды. Это воздействие является неизбежным следствием техногенного вторжения в природные геосистемы с целью извлечения из недр минеральных ресурсов и на современном уровне развития не может быть устранено никаким изменением горной технологии. Поэтому при рассмотрении экологических аспектов этой проблемы следует в основном искать пути минимизации этого вида техногенного воздействия и комплекса последствий, направленного на устранение последствий изменения водного режима и качества вод во всех его проявлениях.
Для горнодобывающих предприятий, в отличие от горноперерабатывающих, характерно значительное превышение объема откачиваемых из выработок вод над объемами водопотребления для обеспечения технологических процессов и других потребностей производства. Поэтому даже организация полностью замкнутого цикла обращения технологических вод не даст кардинального решения проблемы.
По степени связи подземных вод с поверхностью земли и поверхностными водами принято выделять три гидродинамические зоны:
♦ приповерхностная зона, характеризующаяся активной формой взаимосвязи с поверхностью и устойчивым стоком подземных вод в сторону крупной речной сети, цикл обращения воды здесь соизмерим с вегетационным периодом растительности;
♦ средняя зона, отличающаяся замедленным водообменом и приуроченная к глубинам, превышающим уровень горизонта активного дренирования подземных вод гидрографической сетью. Возобновление запасов здесь происходит в течение нескольких лет и
определяется положением регионального дренирующего базиса;
♦ нижняя зона, приуроченная к глубинам более 800-1000 м, характеризуется крайне медленным стоком или застойным режимом. Возобновление запасов происходит в течение длительного, возможно геологического, времени [7].
С точки зрения сохранения биоты любой экосистемы и прежде всего - ее фитоценоза, наиболее нежелательны изменения водного
баланса первой из названных выше гидродинамических зон. Эта зона, в свою очередь, имеет собственную структуру, элементы которой выделяются по степени участия вод в обеспечении жизнедеятельности растительного сообщества на поверхности земли (рис.2). Все элементы этой гидродинамической системы отличаются условиями питания и разгрузки.
Слой почвенных вод питается атмосферными осадками. Его раз
грузка идет через механизмы испарения и десукции. Вода здесь находится в связанном состоянии и ее оборот идет только в вертикальной плоскости через земную поверхность. Слой грунтовых вод имеет два источника питания. В нем частично аккумулируется избыток воды, не попавшей в кругооборот слоя почвенных вод, но основная масса воды здесь поступает из областей питания, приуроченных в основном к объектам
Рис. 2. Схема обращения подземных вод в приповерхностной гидродинамической зоне
К - корнеобитаемый слой; К1 - капиллярная кайма; П - горизонт почвенных ("подвешенных") вод; Г - горизонт грунтовых вод; А - зона аэрации; В1; В2 - горизонты глубинных вод.
гидрографической сети региона. Разгрузка грунтовых вод идет большей частью в гидрографическую сеть и небольшой своей частью - через капиллярную кайму может поступать в слой почвенных вод, где участвует в процессах испарения и десукции.
Более глубокие водоносные горизонты по условиям своего питания и разгрузки связаны только с гидрографической сетью региона [8,9].
Пользуясь этой принципиальной физической моделью процесса обращения подземных вод можно на качественном уровне оценить степень опасности, возникающей для фитоценоза экосистем, в связи с неизбежным нарушением баланса подземных вод при откачке их в процессе добычи полезного ископаемого.
Строительство и эксплуатация подземного горного предприятия наносят ущерб пресным подземным водам, как природному ресурсу. Количественно и качественно этот ущерб определяется соотношением темпов откачки есте-
184
ственного притока в водоносных горизонтах. Вместе с тем, отсутствие горизонтальной составляющей в формировании баланса питания и разгрузки слоя почвенных вод (П на рис.1) свидетельствует о том, что процесс точечной откачки вод из подземного рудника никак не может нарушить водоснабжение корнеобитаемого слоя и вызвать тем самым деградацию фитоценоза на земной поверхности [8]. Здесь можно говорить только о незначительном потенциальном угнетении растительного сообщества в той мере, в какой в нем представлены виды, способные получать воду из слоя грунтовых вод.
Устранению факторов экологического воздействия наиболее благоприятствует ведение работ с покидаемыми целиками. Исключение складирования отходов на поверхности устраняет появление продуктов водной и ветровой эрозии их хранилищ. При этом правда возникает опасность засорения подземных вод от контакта с перемещёнными в выработанное пространство отходами и выноса токсичных элементов в дренирующую эти воды гидрографическую сеть.
Расчеты показывают, что если выход отходов переработки не превышает 70-80% объема извлекаемой горной массы, то они могут быть целиком возвращены в выработанное пространство. Выход отходов, превышающий эту величину, характерен лишь для руд драгоценных металлов и достаточно богатых концентратов, полученных из монометаллических бедных руд. Препятствие к использованию всех отходов, создаваемое повышенным содержанием в них шламов, в настоящее время преодолевается подачей закладочной массы в виде пасты, содержащей порядка 75% твердого. При достаточной степени разведанности крутопадающх зале-
жей с этой же целью возможно применение восходящего порядка отработки месторождения. Горизонтальные и наклонные залежи можно разделять барьерными целиками на выемочные зоны. Сокращение объема отходов может достигаться снижением разубожи-вания и селективной выемкой.
Отработка с закладкой может сопровождаться осадкой подрабатываемых толщ и прогибом поверхности. Сдвижение подрабатываемых толщ можно ограничить, увеличивая плотность закладки и полноту заполнения выработанного пространства. Это достигается принятием восходящего порядка отработки выемочных единиц и уменьшением площади выемочных участков. Своевременным заполнением выработанного пространства закладкой и порядком развития очистных работ в шахтном поле, исключающим деформацию закладочных массивов, а также применением твердеющих закладочных смесей, обладающих соответствующими прочностными и деформационными характеристиками, применением механических способов укладки закладочного материала. При небольшой глубине ведения горных работ, если существуют предпосылки к заболачиванию осевшей поверхности, осадку можно регулировать оставлением в выработанном пространстве естественных или искусственных барьерных толщ, располагаемых на расстоянии D=CV Н одна от другой. Здесь Н - глубина ведения горных работ, а С - коэффициент, зависящий от свойств горных пород (меняется от 2,5 до 4). Этот же способ регулирования осадки подрабатываемых толщ можно применить при работе с обрушением в случае выхода на поверхность или под водоупорное основание активных трещин. Для исключения образования крутых изгибов в краевых частях мульд сдвижения опасных, в отношении возникновения разрывов пластов, необходимо создавать переходные зоны постепенно
ГИАБ
нарастающего сопротивления барьерных толщ.
Нарушение поверхности карьерами, предназначенными для получения закладочного материала, можно ограничить, чередуя заложенные и незаложенные участки выработанного пространства, разделяемого для этого барьерными целиками, расстояние между которыми исключает опасное оседание подрабатываемых толщ. Нарушение поверхности может быть полностью исключено переходом к подземной добыче закладочного материала системами разработки с открытым выработанным пространством поддерживаемым покидаемыми целиками. Эти выработки целесообразно располагать во вмещающих породах отрабатываемого месторождения, размещая в них весь закладочный комплекс. Такое решение нами прорабатывалось для подземного рудника трубки Интернациональная АО '“Алмазы Саха. Якутия”.
Но не все техногенные факторы экологического воздействия подземных горных работ могут быть устранены. Некоторые из них неизбежно сопутствуют освоению района месторождения при любых технологиях его эксплуатации, другие характерны для отдельных технологий в определенных горнотехнических условиях. Это относится преимущественно к фак-
торам, определяющим уничтожение элементов биоты. В первую очередь следует отметить создание коммуникаций и работы по строительству поверхностного комплекса и поселка. По поражаемым площадям это наиболее значимые факторы. Управление их экологическим воздействием возможно лишь рациональным конструированием и регулированием условий эксплуатации.
В наибольшей мере ограничивает регулирование экологического воздействия ведение работ с обрушением вмещающих пород. Если отношение глубины ведения горных работ к мощности отрабатываемой залежи не превышает 20, то обрушение подрабатываемых толщ выходит на поверхность и возможность ограничения развития зоны обрушения практически исключена. Сохранение поверхности водоупорных оснований и подрабатываемых водных объектов в этом случае возможно только при отказе от погашения выработанного пространства обрушением вмещающих пород. Практически исключена возможность использования выработанного пространства для складирования в нем отходов. Если породы еще могут сбрасываться в зону обрушения, то подача туда хвостов обогащения сопряжена с опасностью возникновения серьезной аварии.
Проблема создания технологий, обеспечивающих экологически обоснованные уровни техногенного воздействия подземных горных работ с учетом экономических и социальных ограничений, требует дальнейшей проработки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Коптюг В.А., Матросов В.М., Левашов В.К., Демянко В.Г. Устойчивое развитие цивилизации и место в ней России. Владивосток, Дальнаука. 1997, 83 с.
2. Проблемы экологии России (под ред. В.И.Данилова-Данильяна). М., 1993, 348 с.
3. Моисеев Н.Н. Человек и ноосфера. М., Молодая гвардия,1990, 351 с.
4. Еще раз об основе устойчивого развития природы и общества. /Голубев Г.Н., Данилов-Данильян В.И., Кондратьев К.Я., Котляков В.М., Лосев К.С.// Вестник РАН, 1995-65, №6, с.516-519.
5. Реймерс Н.Ф. Природопользование. М., Мысль. 1990, 638 с.
6. Андерсен Дж.М. Экология и наука об окружающей среде. Л., Гид-рометеоиздат. 1988, 165 с.
7. Певзнер М.Е., Костовецкий В.П. Экология горного производства. М., Недра, 1990. 231 с.
8. Ситников А.Б. Динамика влаги и солей в почвогрунтах зоны аэрации. Киев. Наукова думка. 1986, 210 с.
9. Гавич И.К. Гидро-геодинамика. М., Недра. 1988. 196 с.
© Ю.П. Галченко, Л.И. Бурцев, Г.В. Сабянин
