СПОСОБ ГОРНОТЕХНИЧЕСКОЙ РЕКУЛЬТИВАЦИИ ПРОТИВОЭРОЗИОННЫХ ОТВАЛОВ ВЫСОКОЙ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ЕМКОСТИ Российский патент 2017 года по МПК A01B79/02 E21C41/32 

Изобретение относится к горной промышленности с открытой разработкой месторождений и образованием отвалов, требующих рекультивации для создания посттехногенных ландшафтов высокой экологической емкости.

Актуальность разработки.

Формирование продуктивных отвалов горных пород - одна из приоритетных задач промышленной экологии [1, 7]. Цель рекультивации - восстановить прежнее состояние или создать новые условия, которые позволят естественным и искусственным путем обеспечить образование разнообразных продуктивных и хозяйственно важных биоценозов. В настоящее время основное внимание уделяется селектированию насыпаемых грунтов с разделением их на плодородные, потенциально плодородные и неплодородные [6, 9]. На следующем этапе встает вопрос выравнивания, нивелирования отвалов, чтобы исключить вначале плоскостную, а затем и линейную эрозию. С учетом труднопрогнозируемой просадки насыпных грунтов выровнять отвалы, чтобы исключить поверхностный сток, практически невозможно, и требуется много затрат на горный этап рекультивации. Третья немаловажная проблема - обводнение поверхностного слоя отвалов для обеспечения роста растениям. Насыпные грунты не имеют природной скважности, водоупорных горизонтов и порозности, которые обеспечивают капиллярное снабжение влагой почвенного горизонта. Техногенные почвогрунты имеют провальное водоснабжение и могут удерживать только поверхностный сток за счет своей влагоемкости и конденсации воздушной влаги.

Известный способ RU №2359127 C2 «Способ формирования и подготовки внешних отвалов и карьерных выемок для биологической рекультивации» предполагает валовую или селективную отсыпку вскрышных пород, устройство экранирующих слоев, грубую и чистовую планировку поверхности отвалов, выполаживание или террасирование откосов, покрытие техногенной поверхности плодородным слоем, предпосевную обработку, противоэрозийную организацию территории. Основной недостаток известного способа в большом объеме горных работ (экранирование, чистовая планировка, нанесение слоя почвы, предпосевная обработка) по подготовке поверхности отвалов для биологической рекультивации.

Отличие предлагаемого способа одним технологическим приемом решить три основные экологические проблемы рекультивации горных отвалов: селектирование, выравнивание и обводнение отсыпаемых грунтов.

Предлагаемый способ разработан на основании многолетних (7 лет), комплексных (почва, растительность, животные) экологических изучений на постоянных мониторинговых участках (13), разновозрастных (1, 10, 17, 22, 28-летних) и созданных разными технологиями (нерекультивированные, без и с нанесением плодородного слоя почвы) отвалов Бородинского угольного разреза [2-5, 8, 10]. Полученные результаты позволяют предложить экологическую технологию формирования отвалов горных пород с высоким разнообразием местообитаний, продуктивностью и одновременно устойчивых к воздействию эрозии. Снижение затрат обосновано сокращением требуемых в действующих нормативах этапов рекультивации: чистовой планировки; нанесения плодородного слоя почвы и его выравнивание; посев и полив многолетних трав.

Описание способа.

Основной принцип предлагаемого способа - создание мозаичной бугорчато-западинной структуры поверхности отвалов, обеспечивающей разнообразие условий произрастания. После грубого выравнивания верхнего потенциально плодородного слоя грунта отвалов вместо их дальнейшей чистовой планировки бульдозером проводится формирование ячеистой площадной или линейно-штриховой структуры на склонах западинных элементов микрорельефа. Объем и количество выемок должны обеспечивать сбор всего максимального весеннего и летнего поверхностных стоков. Расчет емкости западин проводится по данным ближайшей метеостанции за последние 10 лет: режим выпадения жидких осадков в теплый период года (суточные данные по сумме осадков, их интенсивность по продолжительности дождей); сумма твердых осадков (запасы воды в снеге); интенсивность снеготаяния по сумме положительных температур за период схода снега.

, где

N - количество выемок, шт./га;

Q_sn - максимальный объем талых вод (sn) и максимальный объем ливневых осадков (rn), м³/га в сутки;

W_sl - влагоемкость почвогрунтов, м³/га;

V_n - объем одной выемки, м³.

Пример.

При максимальном объеме талых вод и возможного поверхностного стока 200 м³/га, ливневых осадков - 300 м³/га, влагоемкости почвогрунтов 40%, в 50 см горизонте удержится 200 м³/га, и размере одной выемки 4 м³ получаем:

На одну выемку приходится 133 м² отвала при размещении по квадратной схеме 12×12 м.

Непосредственно на отвалах проводится корректировка запасов снега путем традиционных приемов снегосъемки (высота снежного покрова и его плотность) с учетом орографических условий и метелевого переноса.

В ячеистых структурах в первые 2-3 года в результате интенсивной, локальной, поверхностной эрозий происходит естественная селекция горных пород, оставляя на выпуклых поверхностях более легкий, каменистый грунт, а в днищах западин - глинистый. В результате разности механического состава грунтов и режима увлажнения формируется эдафическое разнообразие. Перехват атмосферных осадков на отвалах и их перевод в грунтовый сток ускоряет процесс организации водоносных и водоупорных горизонтов.

Технические и проектные условия реализации разработки.

Размер и форма улавливающих воду западин зависит от технологии и технических средств, используемых на первом этапе выравнивания отвалов после их отсыпки. Отсыпка железнодорожным транспортом и выравнивание бульдозером требует последующей планировки отвала для размещения западин и их выкапывание бульдозером. Экскаваторная отсыпка сразу создает бугорчато-западинную поверхность, уклон и протяженность откосов которой необходимо привести в состояние, исключающее длительную и интенсивную поверхностную эрозию. В этом варианте стоит обратная задача сглаживания отсыпанных конусов с сохранением понижений, не требующая предварительного пикетирования технологических западин для перехвата и накопления воды, а также метеообоснования и физической характеристики грунтов.

Влагоемкость грунтов определяется по справочной литературе в зависимости от гранулометрического состава (песок, супесь, суглинок и пр.) с обязательным уточнением в эксперименте. Для этого с поверхности отвала берется монолит (куб) грунта (лучше в сетчатом каркасе) не менее 20×20×20 см, высушивается до воздушно-сухого состояния и взвешивается. Затем монолит опускается в воду, вытаскивается и после прекращения с него стока воды - взвешивается. Разница последнего взвешивания и первого дают объем капиллярной воды, который способен удерживать грунт. Учитывая достаточно высокую мозаику физических свойств отсыпаемых грунтов, первоначально такие замеры необходимо выполнить по одному на гектар. При невысокой изменчивости полученных показателей количество замеров следует сократить.

Область применения.

Горные отвалы различного происхождения (дражные и гидромеханические полигоны по добычи золота, отвалы горных карьеров, откосы строительных сооружений и пр.), срока давности и географического расположения, рекультивируемые под лесозаращивание и рекреационное использование.

Результаты улучшений: текущие и ожидаемые. На этапе горной рекультивации основным индикатором улучшения служит сокращение затрат на планировку отвала и селективную отсыпку почвогрунтов. В каждом конкретном случае экономическая эффективность рассчитывается по технологическим картам рабочего проекта рекультивации аналогового и предлагаемого способа. На первой стадии просадки и стабилизации грунтов индикатором служит общая площадь плоскостной эрозии отвала и размер отдельных участков смывания грунта. На второй стадии естественного зарастания сравнение проводится по проективному покрытию растительности, видовому разнообразию и фитомассе, а также микробиологическим показателям почвы, видовому разнообразию и плотности населения животных.

Предлагаемая схема размещения выемок способствует естественному зарастанию травянистой растительностью, лесовозобновлению и одновременно не препятствует традиционному проведению механической посадки лесных культур.

Ожидается, что в течение 10-15 лет перепады высот бульдозерных выемок 1-2 м морфологически значительно сгладятся, но разность почвогрунтов по гранулометрическому составу и влагоемкости будет сохраняться долгое время, обеспечивая разнообразие почвенных условий, растительности и животного населения. Экскаваторная мелкобугристая отсыпка должна сохранять мозаичный мезорельеф длительное время.

Экономическая эффективность определяется конкретно для каждого предприятия, при этом она оценивается по исключению определенных технологических приемов, которые требуются по действующим нормативам. На этапе горной рекультивации исключается чистовая планировка отвалов и нанесение плодородного слоя почвы с его выравниванием. На биологическом этапе возможность отказа от посева травянистых растений и создания лесных культур. По экспертной оценке применение разработанного способа на 30% удешевляет проведение рекультивационных работ. Технологическая новизна и положительный экологический эффект при меньших затратах соответствует требованиям к инновационным разработкам.

Апробация способа и оценка экологических последствий проведена при рекультивации полигонов после добычи золота в Красноярском крае и на Бородинском угольном разрезе «СУЭК-Красноярск».

Литература

1. Андроханов В.А., Овсянникова С.В., Курачев В.М. Техноземы: свойства, режимы функционирование. Новосибирск: Наука. Сибирская издательская фирма РАН, 2000. 200 с.

2. Богородская А.В., Шишикин А.С. Экспериментальная микробиологическая рекультивация отвалов Бородинского угольного разреза. Вестник КрасГАУ. 2012. №5. С. 224-228.

3. Богородская А.В., Трефилова О.В., Шишикин А.С. Процессы первичного почвообразования в техногенных экосистемах на отвалах Бородинского буроугольного месторождения (восточная часть КАТЭК) // Вестник Томского гос. ун-та. 2014. №382. С. 214-220.

4. Гродницкая И.Д., Трефилова О.В., Шишикин А.С. Агрохимические и микробиологические свойства техногенных почв отвалов (Канско-Рыбинская котловина) // Почвоведение. 2010. №7. С. 867-878.

5. Ефимов Д.Ю., Шишикин А.С. Растительный покров рекультивированных отвалов угольных разрезов Канской лесостепи // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2014. Т. 16, №5 С. 190-195.

6. Зеньков И.В. Горнотехническая рекультивация земель на разрезах Канско-Ачинского угольного бассейна. Изд-во: Сибирский федеральный ун-т. - Красноярск, 2011. 439 с.

7. Манаков Ю.А. Экологические особенности восстановления растительного покрова в техногенных ландшафтах Кузбасса // Диссертационная работа на соискание ученой степени доктора биологических наук. 2012, 372 с.

8. Трефилова О.В. Гродницкая И.Д., Ефимов Д.Ю. Динамика эколого-функциональных параметров реплантоземов на отвалах угольных разрезов Центральной Сибири // Почвоведение. 2014. №1. С. 109-119.

9. Шорохов В.П. Стратегические аспекты решения проблем рекультивации нарушенных земель на угольных разрезах ОАО «СУЭК-Красноярск» // М.: Уголь, 2013, С. 70-72.

10. Итоговый отчет по НИР: «Проведение мониторинга почвенного покрова, растительности и животного населения в районе отработки Бородинского буроугольного месторождения». Институт леса им. В.Н. Сукачева. Красноярск. 2011. 90 с.

Изобретение относится к горной промышленности с открытой разработкой месторождений и образованием отвалов, требующих рекультивации. Техническим результатом является создание универсального способа горнотехнической рекультивации противоэрозионных отвалов. Способ включает отсыпку верхнего слоя отвала потенциально плодородными грунтами и формирование западинно-бугристой ячеистой структуры, обеспечивающей разнообразие механического состава почвогрунтов и режима увлажнения, определяющих успешное естественное зарастание растительностью с различными экологическими требованиями, и исключающей поверхностный сток осадков, причем количество выемок, обеспечивающих максимальный сбор поверхностного стока, рассчитывается по математической формуле.

Способ горнотехнической рекультивации противоэрозионных отвалов, включающий отсыпку верхнего слоя отвала потенциально плодородными грунтами и формирование западинно-бугристой ячеистой структуры, обеспечивающей разнообразие механического состава почвогрунтов и режима увлажнения, определяющих успешное естественное зарастание растительностью с различными экологическими требованиями, и исключающей поверхностный сток осадков, отличающийся тем, что формирует западинно-бугристую ячеистую структуру, причем количество выемок, обеспечивающих максимальный сбор поверхностного стока, рассчитывается по формуле:

, где

N - количество выемок, шт./га;

Q_sn - максимальный объем талых вод (sn) и максимальный объем ливневых осадков (rn), м³/га в сутки;

W_sl - влагоемкость почвогрунтов, м³/га;

V_n - объем одной выемки, м³.