Выделение зон распространения техногенных нарушений от горных работ как научная основа решения комплексных горно-экологических задач

Рассмотрено образование отходов при добыче, обогащении, сжигании, газификации и гидрогенизации твердых горючих ископаемых. Отмечено, что вокруг горного предприятия располагается территория, на которой имеет место ухудшение состояния природной среды. Подчеркнуто, что размеры и качест­венные параметры зон влияния характеризуют воздействие горного производство на окружающую среду. Доказано, что разработка месторождений должна осуществляться при строгом соблюдении требований охраны окружающей среды, для чего в процессе проектирования нужно оценить воздей­ствие степени освоения месторождения на природные ресурсы, его долговременные экологические последствия. На материалах угольных разрезов показано, что с целью разработки характеристик уров­ней опасного воздействия горных работ на окружающую среду горнопромышленной территории можно выделить несколько зон распространения техногенных нарушений от горных работ. Обоснова­но, что в будущем необходимо проектировать и создавать не отдельное горно-обогатительное пред­приятие, а природно-технологическую систему, в которой взаимодействуют технологические, техно­генные и природные элементы и процессы. 

Промышленное освоение месторождений полезных ископаемых сопровождается широко­масштабным воздействием на окружающую среду. Горные предприятия выбрасывают в окружаю­щую среду отходы в виде газа, пыли; отходы производства (шлаки); сточные воды (хвосты обогати­тельных фабрик), влияющие на экологию окружающей среды.

Рассмотрим образование отходов при добыче, обогащении, сжигании, газификации и гидрогени­зации твердых горючих ископаемых (рис. 1). Как видно из рисунка, при добыче и переработке твер­дых горючих ископаемых (углей и сланцев) образуются продукты, не являющиеся непосредственно целью данных процессов, но которые могут найти полезное применение. Они представляют собой либо практически неизменное природное сырье, либо сырье, подвергнутое механическим или терми­ческим воздействиям. Эти продукты, в зависимости от их агрегатного состояния, можно называть газообразными, жидкими или твердыми отходами добычи и переработки углей (сланцев).

Изучение техногенных нарушений окружающей среды в их взаимосвязи со структурой горного производства позволило установить, что влияние горного производства на окружающую среду про­исходит по направлениям, которые соответствуют природным ресурсам, вовлекаемым прямо или косвенно в производственный процесс (водные ресурсы, атмосфера, земли, недра и пр.). Вокруг каж­дого технологического объекта (отвала, карьера, аглофабрики, шламохранилища и т.д.) формируется, как правило, несколько зон техногенного влияния на природные ресурсы (зона загрязнения атмосфе­ры, зона отчуждения земель, зона геохимического загрязнения почв и т.д.). В целом же вокруг горно­го предприятия располагается территория, на которой имеет место ухудшение состояния природной среды — совокупность зон техногенного влияния горного производства. Каждому направлению воз­действия на окружающую среду — на землю, водные запасы, атмосферу, недра — может соответст­вовать несколько зон техногенного влияния. Формирование зоны влияния зависит от наличия того или иного вида техногенного воздействия — механического, гидравлического, геохимического, теп­лового и т.д.

Площадь зоны техногенного влияния, как правило, в несколько раз превышает площадь, зани­маемую объектом, формирующим зону влияния. Размеры и качественные параметры зон влияния ха­рактеризуют воздействие горного производства на окружающую среду и изменяются в пространстве в зависимости от изменения качественных и пространственных характеристик формирующих их объ­ектов или технологических процессов.

Объекты горного предприятия могут находиться под воздействием техногенно-измененных условий окружающей среды, что, в свою очередь, может приводить к изменению параметров техно­логических процессов.

В целом каждое горное предприятие, включая совокупность зон влияния, может быть представ­лено как природно-технологическая система, в которой природные и технологические элементы в их взаимодействии вовлечены в процесс производства конечной продукции.

Под природно-технологической системой как объектом научного исследования понимается ди­намическая совокупность технологических объектов и процессов, направленных на извлечение по­лезного ископаемого из недр и его переработку, постоянно влияющих на окружающую среду и нахо­дящихся под воздействием техногенных изменений окружающей среды.

Проведенные исследования [2-5] показали, что природоохранный подход к процессу проектиро­вания горного предприятия может выражаться в следующей схеме: имеется природная система, од­ним из элементов которой является месторождение полезных ископаемых; при разработке месторож­дения требуется получить заданный объем продукции с требуемым качеством и определенным уров­нем экономических показателей; разработка месторождения должна осуществляться при строгом со­блюдении требований охраны окружающей среды, для чего в процессе проектирования необходимо выявить и оценить воздействие процесса освоения месторождения на природные ресурсы, его долго­временные экологические последствия.

Пусть горное предприятие, выпускающее продукцию, максимизирует прибыль, производя опре­деленное количество продукции Q₁, при котором предельные издержки МС равны предельному до­ходу и рыночной цене (рис. 2).

Предприятие имеет выбросы, загрязняющие окружающую среду. Издержки, которые падают на второе предприятие (производство), страдающее от выбросов, изменяются по кривой предельных издержек (МЕС). По мере того, как дополнительно выпускается продукция и сбрасываются дополни­тельные отходы, у второго предприятия увеличиваются дополнительные убытки (МЕС).

Совокупные предельные издержки равны предельным общественным издержкам (MSC) двух предприятий и представляют собой предельные издержки производства (МС) плюс предельные внешние издержки (МЕС) от загрязнения, т.е. MSC = MC + МЕС.

Кривая предельных общественных издержек MSC пересекает линию цены при объеме продук­ции производства Q₁¹. Так как источником загрязнения окружающей среды является одно предпри­ятие, то рыночная цена продукта остается неизменной. Однако предприятие производит продукцию в объеме, большем чем Q₁¹ .

При сбрасывании отходов множеством предприятий (отраслью) (рис. 3) предельные издержки производства МС являются кривой совокупного предложения. Предельные издержки на охрану окружающей среды, связанные с объемом производства отрасли MEC¹, представляют собой сумму предельных издержек каждого объема производства.

Кривая MSC¹ представляет собой сумму предельных издержек производства и предельных из­держек на охрану окружающей среды для всех предприятий. В итоге MSC¹ = MEC¹ + MC¹.

Кривая спроса D измеряет предельную выгоду потребителей и изменяется в сторону снижения при увеличении объема выпускаемой продукции. Эффективный объем производства Q₁¹ находится на пересечении кривых предельных общественных издержек MSC¹ и спроса D. Конкурентный объем производства отрасли равен q₁ и находится на пересечении кривой спроса D и кривой предложения MC¹ . Объем производства отрасли слишком велик.

Экономическая неэффективность проявляется как избыточное производство, которое вызывает слишком большой сброс в окружающую среду. Причина неэффективности заключается в неправиль­ном ценообразовании. Рыночная цена p₁ низка и отражает издержки отрасли, а не предельные обще­ственные издержки. При высокой цене p₁¹ объем производства будет эффективным. Потери общества от неэффективности слагаются из суммы разности между MSC¹ и D каждого дополнительного объе­ма продукции и равны площади треугольника А. Выбросы отходов производства в окружающую сре­ду приводят к неэффективности в краткосрочные и долгосрочные периоды.

Соответствующим образом спроектировать и построить предприятие можно, используя опреде­ленный научный подход, позволяющий соединить в одной модели технологию горного производства и характеристики природных ресурсов, их техногенных изменений. В настоящее время решается большое количество отдельных задач в области рекультивации, очистки стоков, пылегазоулавлива-ния и т. п. Однако совокупность этих задач имеет достаточно фрагментарный характер, не базируясь на единой научной основе, состояние же и структура воздействия горной промышленности на приро­ду таковы, что отыскание оптимальных народнохозяйственных решений может быть достигнуто лишь с использованием системного подхода.

Природно-технологическую систему можно описать соотношением

где X = |X₁,x₂,...,x_n} — множество элементов x_i системы S. Через Q обозначено множество законо­мерностей изменения элементов x_i, их взаимодействие между собой и с внешней средой, ограниче­ния и управления. Другими словами, множество Q представляет собой совокупность зависимостей, связывающих элементы x_i системы S.

Можно разделить природно-технологическую систему S на природную z и технологическую W подсистемы со своими подсистемами, элементами и связями:

Под природной системой понимается совокупность природных ресурсов (атмосферы, вод, земли и недр) и процессов, в них происходящих и их связывающих, а также показателей, описывающих со­стояние природных ресурсов и процессов (рельеф, мощность плодородного слоя, динамика водного баланса, температура воды и атмосферы, биологические характеристики и т.п.). Под технологической системой в данном случае понимается горное предприятие со всеми его объектами: рудником или карьером, отвалами, обогатительной фабрикой, шламохранилищами, транспортными и энергетиче­скими коммуникациями, а также со всеми технологическими, энергетическими и другими процесса­ми, связывающими эти объекты и их элементы (процессы выемки и транспортирования горной мас­сы, процессы рыхления горных пород взрывом, передача электроэнергии к силовым установкам, от­качка подземных вод и т.п.). При этом элементы как в природных, так и в технологических системах связаны определенными зависимостями, процессами, меняющимися во времени и в пространстве. Но поскольку процесс разработки месторождения связывает функционирование природных и техноло­гических подсистем в одно целое, появляется подмножество природно-технологических связей, вы­ражением которых является образование зон техногенного влияния на природную среду.

Обобщение хозяйственной деятельности отечественных горных предприятий, в частности угольных разрезов, показывает, что с целью разработки характеристик уровней опасного воздействия горных работ на окружающую природную среду горнопромышленной территории можно выделить следующие зоны распространения техногенных нарушений от горных работ:

• зона непосредственного ведения горных работ в горном (карьерная выемка, работы по осуше­нию) и земельном (отсыпка внешних отвалов, проходка траншей) отводах;
• санитарно-защитная зона (СЗЗ) угольного разреза определяется расчетами или по ГОСТу и может быть увеличена при значительном масштабе ведения и влиянии горных работ на территорию, но не более чем в два раза;
• зона территории горного, земельного отводов за СЗЗ угольного разреза;
• зона прилегающих территорий к горному земельному отводу.

Исходя из классификаций экологического состояния ландшафта, нарушенности ОПС террито­рии техногенезом в зависимости от его уровня интенсивности воздействия предлагается следующая классификация техногенного влияния производства угольных разрезов по уровню их опасного воз­действия на ОПС:

а)  неопасный уровень воздействия характеризуется тем, что все техногенные нарушения не выходят за границы СЗЗ угольного разреза, а за ней состояние окружающей природной среды (ОПС) близко к фоновому прилегающих территорий, геологическая среда (горные породы, почвы, поверхностные и подземные воды) имеет незначительные техногенные нарушения (коэффициент техногенной нарушенности К_тн =15 %); состояние рельефа, флоры, фауны и в целом ландшафта естественное или близко к естественному; в целом территории СЗЗ и находящиеся за ней относят к ненарушенным;

б)  низкий уровень опасного воздействия характеризуется тем, что за СЗЗ угольного разреза техногенные нарушения от горных работ имеют преимущественно локальный характер, а состояние ОПС отличается от ОПС близлежащих территорий, геологическая среда из-за нарушений незначительно видоизменена (коэффициент техногенной нарушенности К_тн = 15-30 %), что сказалось на рельефе, флоре, фауне и в целом на ландшафте, состояние которого можно оценить как удовлетворительное; территории СЗЗ и находящиеся за ней относят к слабонарушенным;

в)  средний уровень опасного воздействия характеризуется тем, что за СЗЗ угольного разреза в пределах горного, земельного отводов техногенные нарушения носят значительный характер (коэффициент техногенной нарушенности К_тн= 31-40 %), состояние ОПС здесь очень отличается от ОПС близлежащих к ним территорий, а геологическая среда из-за периодических нарушений, загрязнений техногенно нарушена, вследствие чего происходят в начальной стадии процессы видоизменения рельефа, угнетения флоры, фауны и в целом негативного преобразования ландшафта. Его состояние оценивается как напряженное; территории СЗЗ и находящиеся за ней в незначительном распростра­нении относят к умеренно нарушенным;

г)  высокий уровень опасного воздействия характеризуется тем, что за СЗЗ угольного разреза в пределах горного, земельного отводов техногенные нарушения носят очень сильный, преобладающий характер (К_тн достигает 41-60 %); состояние ОПС здесь сильно отличается от ОПС близлежащих к ним территорий, а геологическая среда из-за постоянной суммации техногенных нарушений сильно нарушена и подверглась значительному изменению; флора и фауна почти полностью подавлены и в целом превалирует полупустынный вид ландшафта. Все это оценивает состояние как конфликтное; территории СЗЗ и находящиеся за ней относятся к сильнонарушенным;

д) весьма опасный (катастрофический) уровень воздействия характеризуется тем, что в СЗЗ и пределах горного земельного отвода техногенные нарушения носят критический характер для ОПС (К_тн достигает 61-80 % и более), а в ОПС близлежащих к ним территорий имеются следы влияния горно-хозяйственной деятельности (загрязнение, эрозия почв, подавление флоры, фауны); геологическая среда подверглась изменению; рельеф полностью изменен, а флора и фауна на территории преимущественно подавлены или отсутствуют, и в целом территория имеет вид пустынного («лунного») ландшафта. Его состояние оценивается как кризисное; территории СЗЗ и за ней относятся к очень
сильно (необратимо) нарушенным.

Моделирование зон влияния может основываться на гипотезе, согласно которой любая часть пространства и все материальные объекты, заключенные в ее границах, могут быть условно пред­ставлены в каждый момент времени в виде множества точек с их координатами и присвоенными им качественными признаками.

Таким образом, территория, на которой располагается предприятие, тот или иной технологиче­ский объект (отвал, карьер, шламонакопитель), структура недр, топографические и экологические особенности местности, границы зон влияния, транспортные коммуникации — все это может быть представлено в виде упорядоченной совокупности пространственно-ориентированных точек, несу­щих определенную качественную информацию. Любой источник влияния, образующий зону, может быть определен как точечный, линейный или плоскостной (последние два могут рассматриваться как совокупность соответствующих точечных источников).

Геометрический центр каждого элемента из описываемой части среды (пространства или плос­кости) обозначается через а, следовательно, имеется некое множество А таких элементов, которые можно считать находящимися в состоянии А.

Если учесть, что различные части описываемого объема (площади) имеют различные качествен­ные характеристики, то это различие присуще и характеристикам точек а. Таким образом, множество, характеризующее исследуемую часть пространства, можно представить как объединение некоторых разнокачественных подмножеств A_i 

где каждое а, принадлежащее подмножеству A_i , принадлежит и множеству А.

Под воздействием источника влияния некоторая часть среды переходит в состояние В, формируя зону влияния источника. При этом образуется подмножество В элементов b_i среды с измененными свойствами, составляющих зону влияния.

Распространение влияния на среду по одному направлению от точечного источника q с одно­именно обозначенными качественными характеристиками можно представить в виде вектора V_k ,

длина которого зависит от качественных признаков среды в заданном направлении. Любой вектор V_k можно представить как подмножество точек bi, являющееся частью множества В элементов, состав­ляющих зону влияния: (Vb_i eV_k) => b_i е B .

Точечно-координатная интерпретация большого объема информации о зонах техногенного влияния, формирующих их объектах, качественных характеристиках территорий, на которых ведутся горные работы, позволяет унифицировать эти сведения, использовать разнообразные математические методы и автоматизированный подход, без чего практически невозможна комплексная оценка влия­ния горного производства на окружающую среду.

Использование геоинформационных методов открывает возможность создания автоматизиро­ванных систем сбора, хранения и обработки экологической информации на действующих предпри­ятиях и в проектных институтах, создает единую основу для системного решения широкого круга природоохранных задач в горном деле.

Зная закономерность воздействия источника влияния на элементы среды, т.е. отображение f |q}=>A, можно определить протяженность зоны влияния В в каждом направлении и, таким образом, определить ее границы. Аналогичный подход используется для линейных и плоскостных источников влияния.

Отображение f представляет собой для каждого конкретного вида воздействия на окружающую среду ту зависимость или расчетный, методический аппарат, который позволяет определить парамет­ры зоны влияния. Для расчета параметров зон техногенного влияния в конкретных случаях могут применяться различные методы и подходы.

В заключение следует отметить, что к настоящему времени достигнут определенный успех в решении задач охраны окружающей среды в различных отраслях, в том числе в горнодобывающей промышленности. Научные и технологические решения задач охраны окружающей среды в зависи­мости от конкретных условий имеют как детально разработанный, так и поверхностно-постановочный характер. Общим для всех существующих научно-технических решений является ли­бо их узкая направленность (по отраслевым интересам, по отдельным направлениям воздействия на природную среду), либо отсутствие единой научной основы при более широком подходе. Главным и общим недостатком является недостаточная реализация системного подхода в научном решении гор­но-экологических задач. Как показали проведенные исследования, увеличение масштабов нарушений окружающей среды по-прежнему опережает рост объемов и эффективности природоохранных работ, и этот разрыв в ближайшее десятилетие, вероятно, будет увеличиваться. В сложившемся положении, очевидно, необходим нетрадиционный подход к оценке эффективности горного производства, учи­тывающий прямое и косвенное вовлечение многих природных ресурсов в процесс добычи и перера­ботки полезных ископаемых, потребление этих природных ресурсов. Другими словами, необходимо проектировать, оценивать эффективность и создавать не отдельное горно-обогатительное предпри­ятие, а природно-технологическую систему, в которой взаимодействуют технологические, техноген­ные и природные элементы и процессы.

Список литературы

1. Шпирт М.Я. Безотходная технология. Утилизация отходов добычи и переработки твердых горючих ископаемых. — М.: Недра, 1986. — 255 с.
2. Современная экономика. Общедоступный учебный курс. — Ростов н/Д.: Феникс, 1996. — 608 с.
3. Каренов Р.С. Эколого-экономические проблемы в условиях рынка (на материалах горной промышленности). — Ал­маты: Ғылым, 1998. — 304 с.
4. ПевзнерМ.Е., Костовецкий В.П. Экология горного производства. — М.: Недра, 1990. — 235 с.
5. Архипов Н.А., Ельчанинов Е.А., Горбачев Д.Т. Добыча угля и рациональное природопользование. — М.: Недра, 1987. — 285 с.
6. Шокабаев Т. Микроэкономика промышленности: Учебник. — Алматы: Респ. издат. кабинет Казахской акад. образо­вания им. И.Алтынсарина, 1999. — 367 с.