CC BY
21
УДК 628.396 Д.Г. Козлов
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОЧВ МОБИЛЬНЫМИ ПРОДУКТАМИ ОТБОЙКИ ЖЕЛЕЗОСОДЕРЖАЩИХ РУД
Семинар № 6
#толее 65 % железной руды России
ЛЗв самые ближайшие годы будет добываться в крупных карьерах глубиной более 300 м в условиях крепких и весьма крепких пород, доля которых в вынимаемой горной массе превышает 86 %.
Подавляющее большинство вынимаемой горной массы в железорудных карьерах в настоящее время составляют породы и руды крепостью более 14 по шкале М. М. Протодьяконова, требующие применения буровзрывных работ.
Темпы загрязнения окружающей среды при добыче полезных ископаемых зависят от количества образующейся активной пыли, способной мигрировать в окрестности карьера. Со временем они будут увеличиваться.
Железные руды отличаются друг от друга по прочности в пределах 8-30, что указывает на их хрупкость. Месторождения рассматриваемого типа представляет собой сложную модель, состоящую из структурных элементов с неоднородными свойствами. У кварцитов отмечается тенденция увеличения свойств руд и пород: сцепление, угол внутреннего трения, хрупкость и т. п. с возрастанием глубины их залегания. Поэтому расходы ВВ на отбойку руд будут увеличиваться, а с ними увеличится и выход активных фракций пыли крупностью до 500 мкм.
Для минимизации эффекта переиз-мельчения руд при отбойке варьируют энергией взрыва зарядов за счет регули-
рования начального давления смеси газов в зарядной полости и ее объема. Это позволяет управлять очередностью взрывания зарядов с различными интервалами замедления. Выход однородных фракций кварцита при отбойке пород с плотно сомкнутыми трещинами выход больше, чем при отбойке пород с открытыми трещинами.
При снижении удельного расхода ВВ на отбойку и увеличении выхода горной массы с 1 м скважины за счет расширения сетки скважин в условиях уменьшенных величин ЛНС и увеличенной высоты уступа выход кварцита однородных фракций возрастает, а количество пыли уменьшается.
Скальный массив руд и пород включает трещины, заполненные глинкой трения и породной мелочью. В момент взрыва геоматериалы сталкиваются друг с другом, превращаясь в пыль. В атмосферу поднимается мелкодисперсная пыль, которая уносится на периферию и угнетает экосистемы окружающей среды.
В массиве взметнувшейся над карьером пыли протекают и конвективные процессы перемещения потоком воздуха и диффузионные, если длина пробега их молекул сравнима с размерами пылинок. По мере удаления от взрыва концентрация пыли уменьшается до фонового значения.
Радиус опасного техногенного пылевого загрязнения окрестностей карьера
измеряется десятками километров. Ореол разноса корректируется ветровыми потоками с коэффициентом в пределах 1.5-2.0. Фоновый уровень концентрации пыли появляется через несколько часов.
Выпадая из пылевого облака, минеральные частицы становятся средой природного выщелачивания атмосферными осадками и поверхностными водами. Интенсивность загрязнения окружающей среды пылевыми продуктами горного производства возрастает в прямой зависимости от доли мелких фракций и в обратной зависимости от расстояния переноса с корректировкой на скорость ветра.
В подавляющем большинстве случаев концентрация пыли в атмосфере прямо пропорциональна интенсивности выброса и обратно пропорциональна скорости ветра и высоте источника над землей. Увеличение высоты выброса, например, за счет увеличения количества и силы ВВ может снизить концентрацию пыли в воздухе в окрестности карьера, но увеличивает суммарный объем пыли.
Выпадение более крупных частиц за счет осаждения уменьшает концентрацию пыли. Такие частицы, поднятые взрывом на высоту Н, при ламинарном воздушном потоке оседают на расстоянии НуЬъ , где V - скорость ветра, vg -скорость оседания частицы.
Расстояние оседания мелких частиц в турбулентной атмосфере сокращается за счет турбулентной диффузии. Даже самые мелкие частицы осаждаются в окрестности карьера за счет седиментации, инерционного осаждения, диффузии и действия электрического поля Земли.
Попавшие в почву пылевые частицы при любых малых размерах имеют возможности для поддержания процесса выщелачивания: воду, кислород и плюсовую температуру.
Наиболее активно металлы извлекаются при отношении твердого к жидкому 1:400 по объему. В интервале значений 0-400 объемов выделяются 2 пика значений, что связано с физическим состоянием выщелачиваемого материала. Скорость химико-физических процессов определяется суммой скоростей отдельных реакций внутри - диффузионной и химической кинетики.
В зонах регионов, подверженных техногенному влиянию, отмечается
снижение урожайности культур и деградация растительности. Становится опасным использовать в рационе питания продукты животноводства, полученные на фураже, заготовленном в окрестностях карьеров, и зерновые культуры, выращенные на землях вблизи источников выбросов пыли.
Железистые кварциты и вмещающие их породы содержат РЬ, 2п, N1, Си, Со, Сг, С^, V, Мп, иногда и ве, В, В1, БЬ, Бе и Н§. В результате пылевых выбросов в почвах формируются техногенные геохимические аномалии Бе, Си, 2п, РЬ, Сd и радиоактивных элементов. Влияние сильного электромагнитного поля усугубляет воздействие экологически неблагоприятных факторов.
Количество металлов, попадающее в почву в результате природного выщелачивания пылевых частиц при открытой разработке железорудных месторождений (М):
М = ®к еу к у к э(сн - сК Ж . , т
к к Ж в Ж 30
/л т о
где Q - производственная мощность карьера, м3; жв - коэффициент выхода руды с 1 м3 добытой горной массы; у -объемный вес руды, т/м3; жу - коэффициент влияния высоты уступа; жз - коэффициент использования энергии
взрывного превращения; сн, с - начальная и конечная концентрация металлов в руде, % ; ж к - коэффициент
кислотности воды; ж 0 - коэффициент основности воды; га - извлечение металлов из руды, доли ед.; ж в - коэффициент скорости ветровых потоков; ж ао -
коэффициент интенсивности атмосферных осадков; / - время.
Минералы железа, в числе прочих, подвергаются фотохимическому разрушению, образованию комплексов, микробиологическому выщелачиванию, в результате чего железо переходит в водную среду.
В присутствии воды железосодержащие минералы реагируют с образованием серной кислоты. Высвобождающиеся из твердых матриц металлы транспортируются водными потоками в пределах почвенного слоя литосферы.
Железо в истинно растворенной форме входят в состав донных отложений и гетерогенных систем, которые сорбируют и накапливают его. Впоследствии железо может высвобождаться из систем под действием энергии и образовывать токсиканты, в результате чего происходит деградация окружающей среды.
Металлы, попадающие в почвы с мелкодисперсными пылевыми частицами, накапливаются в верхнем, аккумулятивном горизонте, что обуславливается не только способностью гуминовых кислот, но и климатическими особенностями региона. При увлажнении среды они немедленно вступают в реакции с образованием токсикантов.
В ходе феномена наложения геохимических барьеров в регионе формируются локальные техногенные аномалии, способные перерасти в региональные и глобальные.
В радиусе до 10 км от горных предприятий формируется зона чрезвычайно опасного загрязнения, а в почвах содержится 70 % элементов первого класса опасности.
В радиусе от 10 до 20 км в почвах формируется зона опасного загрязнения, а в почвах на долю элементов первого класса опасности приходится 20 %.
На расстоянии более 20 километров формируется зона умеренно - опасного загрязнения.
В рамках сформировавшихся аномалий проявляются новые свойства токсикантов. В том числе коллективные факторы взаимодействия металлов. Например, совместная токсичность железа и меди в 6 раз выше, чем токсичность каждого из этих металлов в тех же количествах в отдельности. Этот феномен наблюдается и между коллективами других металлов.
Суммарная загрязненность почв опасна не только массой техногенной нагрузки, но и ответной реакцией на воздействие вследствие синергетических эффектов комбинированного воздействия составляющих их компонентов.
Вегетационные свойства биоты определяются качеством почв, на которых они произрастают. При механическом и химическом разубоживании почв токсичными породами урожайность сельскохозяйственных культур снижается. Так, при 20 % разубоживании урожайность почв не превышает 12 % от базового значения, а при 40 % и более разу-боживании урожайность составляет всего 3-5 % от базового значения
Растения накапливают металлы дифференцировано: железо и марганец максимально, медь и цинк в меньшей степени и незначительно кадмий. Содержание металлов в исследуемых растениях составляет 164- 469 мг/кг железа, 11-32
мг/кг цинка, 4-6 мг/кг меди, 57-84 марганца, 2-3 мг/кг никеля.
При воздействии пыли, содержащей железо и его соединения, на кожу людей и фауны возможны аллергические дерматиты, поражение дыхательных путей, нарушения функции печени, желудочные заболевания и прекращение жизнедеятельности организма.
Механизм накопления, усвоения и трансформации металлов в пределах системы «предприятие - среда - биота» описывается математико- аналитической моделью:
М б = М б.баз<1 - 0 Т<фЖ "к У к К >■ е®с.ед.
Ж гп
где Мб - биологическая масса живого вещества на территории загрязненого региона, вес.ед.; Мб баз - биологическая масса живого вещества на территории
базового региона до техногенного вмешательства, вес.ед.; о - количество
^ т
природно выщелоченных из пыли токсикантов, вес.ед.; жф - коэффициент
фильтрации почвы; ж вс - коэффициент
перевода токсикантов в водную среду; Ж у - коэффициент усвоения токсикантов
растением; ж к - коллективного суммирования влияния токсикантов; жко-
эффициент влияния глубины почвы или зоны проникновения.
Предложенная модель описывает состояние не только растений, но и других представителей живого вещества, в том числе и человека, с уточнением их индивидуальных особенностей, ятш
— Коротко об авторе -----------------------------------------------------------------
Козлов Д.Г. - аспирант, РГГРУ.
Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 6 симпозиума «Неделя горняка-2008». Рецензент д-р геол.-минерал. наук, проф. А.А. Вечерба, декан РГГРУ.
