Курсовая работа (т): Геоэкологические проблемы разведки и разработки месторождений полезных ископаемых

Рис. 1. Характерные виды сдвижения массивов горных пород при подземной разработке месторождений полезных ископаемых:

а - плавное, без нарушения сплошности налегающих пород;

б - блоками, с нарушением сплошности налегающих пород;

в - с обрушением и разрывом сплошности налегающих пород

Второй основной фактор, вызывающий нежелательные изменения в ландшафте, связан с необходимостью отсыпки выдаваемых на поверхность пустых пород. Не покрытые растительностью породные отвалы, отвалы бедных руд, занимающие большие площади гидроотвалы обычно вносят негативный диссонанс в ландшафт, но главное, - занимают большие площади пригодных для сельского хозяйства земель, нанося значительный ущерб окружающей природе. Недействующие отвалы, если их не обезопасить полностью, могут стать источниками несчастных случаев и даже катастроф: быстрое перемещение больших объемов пород отвалов может разрушить расположенные вблизи здания, сооружения, дороги и т. п.

Печален в этом отношении случай из практики угольной промышленности Великобритании. Неправильная отсыпка конических отвалов привела 21 октября 1966 г. к гигантской катастрофе в Эйберфенсе (Южный Уэльс): на шахте «Мертир Вэйл» № 7 внезапно сползли переувлажненные породы отвалов, в результате чего погибло 144 человека.

Разработка месторождений подземным способом без деформации подрабатываемых пород пока невозможна. Однако если системам разработки с обрушением налегающих пород свойственны максимальные деформации и применением этих систем окружающей среде наносится наибольший ущерб, то системы разработки с закладкой выработанного пространства обеспечивают минимальные деформации пород и, следовательно, их влияние на окружающую среду ничтожно. Поэтому совершенно очевидна эффективность применения систем разработки с закладкой выработанного пространства, обеспечивающей наименьшие подвижки подрабатываемого горного массива.

. Влияние горной промышленности на атмосферу

Осуществляя разработку недр, человек вновь приводит недра, содержащиеся в них газы и воду к контакту с земной атмосферой. Метан и другие углеводороды, образовавшиеся в погребенных породах миллионы лет назад, выделяются в атмосферу при разработке месторождений угля, нефти и газа, а также некоторых рудных месторождений, что связано с присутствием в самих месторождениях или окружающих их породах газоносных формаций.

При разработке месторождений полезных ископаемых в атмосферу могут выделяться и другие газы: сернистый газ, углекислота, окись углерода, сероводород, водород, азот, гелий, радон и др. Общее их количество в земной атмосфере незначительно (исключая азот), однако в масштабе отдельных предприятий могут возникать различные аномалии, влекущие за собой негативные последствия.

Предприятия горной промышленности можно также упрекнуть в том, что они поставляют потребителям недоброкачественное сырье (например, уголь, сланцы и нефть с высоким содержанием серы, руды с вредными примесями), использование которого сильно загрязняет атмосферу.

Вызываемое человеческой деятельностью загрязнение земной атмосферы на 90% представлено газами и на 10% - аэрозолями. Эти источники загрязнения сконцентрированы в отдельных промышленных районах, в основном в странах северного полушария.

По продолжительности нахождения загрязняющих веществ в атмосфере их можно разделить на две группы: 1) с непродолжительным временем пребывания в атмосфере, которые, как правило, концентрируются в пределах сравнительно небольших районов; 2) находящиеся в атмосфере длительное время, которые распространяются над обширными территориями (табл. 3).

В стратосфере загрязняющие вещества держатся в течение несравненно более продолжительного времени, чем в тропосфере. В приповерхностном слое атмосферы концентрация этих веществ зависит от погоды, высоты местности, формы рельефа, времени суток и других факторов. Находящиеся в атмосфере загрязняющие вещества подвергается фотолизу и окислению, вступают в химические реакции между собой.

Загрязнение атмосферы горными предприятиями с традиционными способами разработки зависит от геологической природы вмещающих месторождение формаций и от специфики ведения горных работ. Природные факторы определяют в основном газовую загрязненность, производственные как газовую, так и пыле-аэрозольную загрязненность.

Таблица 3. Продолжительность пребывания некоторых загрязняющих веществ в атмосфере

Основными загрязнителями атмосферы газами являются угольная, нефтяная и газовая отрасли промышленности. Предприятия по добыче и переработке нефти и газа загрязняют воздух углеводородами главным образом в период разведки месторождении (в нефтяной промышленности - также во время эксплуатации, когда попутный газ сжигается в факелах). Предприятия по добыче и переработке угля загрязняют атмосферу метаном, в гораздо меньшей степени - углекислотой.

Загрязнение воздуха газами при ведении горных работ в значительной степени обусловлено применением взрывчатых веществ для отбойки руды (угля) и пород. За год при взрывных работах в атмосферу выделяется около 8 млн. т газов. Однако относительное значение этой величины весьма мало по сравнению с естественным газовыделением на шахтах (рудниках). Кроме того, основные компоненты газов взрыва - соединения инертные, не оказывающие вредного влияния на окружающую среду.

Общеизвестно, каким мощным, по существу глобальным загрязнителем атмосферы является автотранспорт. На подземных работах, где приходится действовать в весьма стесненных условиях, обострилась проблема локальной борьбы с выхлопными газами.

Кроме того, при разработке месторождений газы образуются и при самовозгорании угля, руд и вмещающих пород. Особую проблему создают самовозгорающиеся конусовидные отвалы горных пород (терриконы), содержащие органическое вещество или сульфиды различных металлов, которые, вступая во взаимодействие с кислородом, провоцируют возникновение экзотермических реакций с температурами в центре очага возгорания до 1400оС.

Вынос в атмосферу мельчайших минеральных частиц - пыли в свободном состоянии и в виде аэрозолей как вид загрязнения воздуха характеризуется тем, что минеральные частицы загрязняют воздушное пространство главным образом вблизи предприятий и на непродолжительное время. Как правило, пыль оседает на почву, на поверхность водоемов, здания, сооружения и растительность и, таким образом, является загрязнителем окружающей среды. Опасность в этом случае тем более велика, что в почве и в водоемах непрерывно накапливаются вплоть до недопустимых концентраций вредные металлы или минералы.

Наиболее обильное пылеобразование происходит на горных предприятиях, разрабатывающих месторождения открытым способом (карьерах, разрезах, каменоломнях), особенно в засушливых и ветреных районах.

По немногим публикациям [2,5,8,22], освещающим вопросы загрязнения атмосферы рудниками (шахтами), обогатительными фабриками и металлургическими заводами, можно констатировать, что основная масса пыли выбрасывается в атмосферу рудоперерабатывающими предприятиями.

Из приведенных данных следует, что проблему предотвращения загрязнения земной атмосферы предприятиями горной промышленности наиболее целесообразно решать на нижней ступени производства, т. е. непосредственно в среде, окружающей горнорабочих в конкретных условиях каждого предприятия: от обеспечения трудящимся безопасных и комфортных условий труда до их полного вывода из забоев.

. Влияние горной промышленности на гидросферу

Почти любое проникновение человека в земные недра связано с необходимостью постоянной откачки подземных вод - рудничных, дренажных, артезианских. В результате этого породные массивы в пределах влияния горных работ или систем скважин осушаются, понижается зеркало грунтовых вод, иссякают источники, снижается дебит водотоков или они вовсе исчезают, ухудшается структура грунтов, проседает земная поверхность, резко снижаются урожаи сельскохозяйственных культур, и, наконец, обедняется или исчезает ранее активно действовавшая в районе, экологическая система.

Отдельные рудники и шахты обычно откачивают из земных недр тысячи или десятки тысяч, а горные предприятия бассейнов сотни тысяч или миллионы м3 воды в сутки. Так, например, откачка подземных вод, подтоплявших карьеры КМА, привела к истощению водоносных горизонтов и нарушила водоснабжение нескольких городов и многих сел и деревень в округе. Это случилось потому, что при проектировании рудников КМА весьма важной считалась задача осушения, она и решалась. А то, что последует за осушением, проектировщики в расчет не принимали.

Вообще практика разработки пластовых месторождений показывает, что радиус депрессионного влияния действующей шахты (рудника) в течение нескольких лет достигает 10 км и более. В отдельных случаях контур депрессионной воронки может пересечь область питания, даже реку или озеро. Кроме того, как уже отмечалось, откачка подземных вод (также нефти и газа), как правило, сопровождается деформациями земной поверхности, в большинстве случаев ее оседанием.

В отличие от загрязнения атмосферы, загрязнение водоемов в результате ведения горных работ характеризуется более значительным уровнем. Горные предприятия выносят на земную поверхность из недр целую гамму загрязняющих веществ: нефть, минеральную и каменноугольную мелочь, соли, серную кислоту, вредные и ядовитые металлы и другие нежелательные для контакта с живой природой минеральные и органические образования.

Большие объемы шахтных вод, выдаваемые из недр, обычно связаны с высокой водообильностью разрабатываемых месторождений. Дебит рудничных вод зависит от многих природных и технологических факторов. К природным факторам относятся: режим обводненности района месторождения, наличие в пределах месторождения запертых вод, открытых водоисточников в зоне влияния горных работ, количество выпадающих осадков, проницаемость грунтов и вмещающих пород. Основные технологические факторы - бурение с промывкой, гидравлическая закладка, гидравлическое подавление пыли.

Обычно рудничные воды несут в себе разного рода загрязнители, и их перед сбросом нужно очищать или перерабатывать как сырье на тот или иной металл. Наиболее распространенными загрязнителями рудничных вод считаются хлористые соединения и свободная серная кислота, которой часто сопутствуют растворимые соли, главным образом сульфаты тяжелых металлов -железа, меди, цинка, марганца, никеля, урана и др. Типичный состав шахтных вод в сравнении с технической водой приведен в табл. 4.

Таким образом, по хлористым и сернистым соединениям, также по содержанию Са, Mg, Na и К шахтные воды превосходят техническую воду в 5-15 раз, что исключает их непосредственное использование без предварительной очистки и нейтрализации даже в технологических целях.

Таблица 4. Химический состав шахтных вод в сравнении с технической водой (по данным В.Н.Мосинец и М.В.Грязнова)

Кислотность и засоленность шахтных вод пагубно влияют на экологическую систему поверхностных водоемов: воды становятся совершенно непригодными для питья, рыбоводства, использования в промышленных целях.

На многих угольных шахтах и разрезах основным загрязнителем являются твердые частицы угля и пород, которые совместно с солями железа портят внешний вид поверхностных водоемов, нарушают биологическое равновесие в них, в результате чего вымирает рыба.

Часто тяжелые металлы накапливаются, образуя аномальные формирования, как следствие индустриальной деятельности человека. Накопление в почве или в воде таких тяжелых металлов, как кадмий, никель, молибден, цинк, марганец, ванадий, бериллий, теллур, может быть опасно для всего живого. Еще опаснее накопление металлов - ядов: ртути, свинца, мышьяка, селена. Ряд металлов отнесен к веществам, вызывающим раковые заболевания, в частности мышьяк и хром. Отмечена зависимость заболеваний раком пищевода от концентрации в растениях молибдена [21].

Тяжелые металлы, попавшие на почву, легко сорбируются гумусом и гидроокислами железа и алюминия и довольно быстро переходят в растения. Например, в помидорах, выращенных на расстоянии 500-5000 м от завода цветной металлургии, свинца содержалось в 5-110 раз, а в клубнях картофеля в 10-170 раз больше, чем на удаленных контрольных делянках [13]. Часто выпавшие на почву тяжелые металлы не задерживаются на месте. В окислительной природной среде они свободно перемещаются вместе с водой.

В различных природных условиях тяжелые металлы ведут себя по-разному. В окислительной природной обстановке (высокая кислотность почвы и придонных вод) свинец, медь, никель, цинк и ртуть более подвижны, чем в нейтральной или щелочной среде (например, в степной полосе). Наоборот, молибден, ванадий и селен легче перемещаются в щелочной среде. Мышьяк же образует растворимые соединения в любой природной обстановке. На поверхности северных болот его ядовитые соединения могут сохраняться сотнями лет, а в жарких пустынных областях они разрушаются меньше чем за год.

К сточным водам горных предприятий нужно отнести и воды поверхностного стока, т. е. воды естественного стока с породных и рудных отвалов, дорог и со всех других объектов, находящихся в пределах горных отводов. Загрязнение водоемов водами поверхностного стока особенно велико в местностях с большим количеством атмосферных осадков.

Горные предприятия могут загрязнять водоемы также отработанными промышленными водами и обычными канализационными стоками, которые в очистные сооружения поступают неритмично и поэтому могут быть подвергнуты необходимой обработке не в полном объеме.

При разработке месторождений полезных ископаемых загрязнение почвы и вод представляет собой во много раз усиленное природное явление, обусловленное ветровой и водной эрозией выходящих на поверхность участков месторождений. Поскольку естественное загрязнение почвы и вод в районе месторождений протекает весьма медленно, оно во многих случаях не нарушает относительно скомпенсированного, биологически безвредного химического равновесия между геосферами или их отдельными частями. В случае же, когда такое равновесие нарушено, например, и воде, немедленно возникают изменения в почве и атмосферных осадках, а затем в растительности и живых организмах, произрастающих и обитающих на прилегающих к месторождениям территориях, и срабатывает закон так называемого наследования человеком содержания химических элементов земли через растения и животных.