Ежегодно нарушаемая горными разработками площадь земель достигает порядка 0,3–0,4 млн. га. Во многих странах проводятся мероприятия по сокращению площади, занимаемой отвалами, терриконами и пустошами. Широкий размах приобрели работы по преобразованию бесплодных нарушенных земель в пригодные для использования. При этом улучшаются не только земли, нарушенные горными разработками, но и антропогенные пустоши другого происхождения. Больше всего земель выводится из строя горными разработками и при строительстве линейных сооружений. Авторы отмечают, что на территории Карагандинского угольного бассейна в результате прогибания поверхности произошло оседание фундамента зданий, смещение блоков стен, обрушение потолочных перекрытий. Максимальные величины прогиба составляют 70–80 % от мощности выработанного пласта. Исследования показали, что в результате многолетнего ведения подземных горных работ на поверхности, в промзонах рудников и на близлежащих территориях образуется множество воронок обрушения. Подчеркнуто также, что под влиянием шахтного водоотлива формируется депрессионная воронка площадью в десятки квадратных километров. Территории вокруг шахт из-за многочисленных провалов на поверхности являются зонами повышенной опасности. Деформации пород, залегающих над выработками, носят различный характер — от плавных, без нарушения сплошности пород, до их полной дезинтеграции. В статье сделаны выводы, что при извлечении твердых полезных ископаемых осуществляется целый комплекс подготовительных, текущих и последующих сопряженных горнотехнических мероприятий, которые приводят к изменению геолого-геоморфологических, гидрологических и метеорологических условий в районе добычи и на смежных землях.
Введение
Физико-географические условия, технология разработок, а также уровень развития страны оказывают влияние на направление и методы рекультивации нарушенных земель, на состояние и перспективы развития района работ, на экономическую и социальную значимость рекультивации в данном регионе. Поэтому рекультивация имеет свою специфику и особенности не только в разных странах, но и в разных районах одной страны.
Методы исследования
При добыче минерального сырья возникают специфические рельефообразующие процессы, которые можно разделить на подземные и поверхностные. Для их исследования применяется целый комплекс методов, среди которых наиболее важными являются морфологический, морфоструктурный, морфонеотектонический.
Известно, как меняется рельеф земной поверхности при добыче полезных ископаемых. Определение внешних признаков различных элементов рельефа, по которым можно определить его происхождение, составляет сущность морфологического метода. Целый ряд подземных процессов (выбросы горных пород, воды, газов, выщелачивание легкорастворимых пород и др.) осуществляется за счет реализации природных источников энергии. Многие из этих процессов были охарактеризованы Ф.В. Котловым [1].
Самовозгорание терриконов также следует отнести к подземным процессам. О масштабах развития пожаров, связанных с породными отвалами угольных шахт, можно судить на примере Донбасса. На территории Донбасса находится 1257 терриконов общим объёмом 1.056.519,9 тыс. м3, которые занимают площадь 5.526,3 га. Из них 30 % являются горящими. Горение пород отвалов вызывает образование пустот, обрушение и осадку горелых пород, осыпи, трещины вследствие неравномерного нагрева; выбросы и термические оползни с образованием на склонах отвалов полостей разного объёма, уступов и трещин. При горении терриконов выделяющиеся газы приводят к загрязнению воздуха прилегающих к отвалам территорий, атмосферными осадками с поверхности отвалов сносятся продукты разрушения новообразованных минералов, приводящие к загрязнению почв и воды и др. В шахтах Карагандинского угольного бассейна (Карбасс) также отмечалось самовозгорание углей, приводившее к пожару. Однако в отличие от Кузнецкого угольного бассейна, где много следов древних пожаров, в Карбассе таких следов не обнаружено.
Таблица 1 Характеристика подземных природно-техногенных процессов
|
Процесс |
Краткая характеристика |
Условия развития |
|
Горное строение, удары |
Мгновенная разгрузка энергии упругой деформации высокопрочных скальных пород в местах максимальных концентраций напряжений и их перераспределение в связи с проходкой |
Высокая прочность и жесткость скальных пород, обладающих большими внутренними напряжениями. Наблюдаются обычно на больших глубинах — более 200 м |
|
Внезапные выбросы |
Внезапные выбросы угля и газа в выработки характерны для глубин более 100-250 м |
Приурочены к тектоническим разрывам и нарушениям угольного пласта |
|
Прорывы поверхностных, подземных вод и плывуны |
Возникают внезапно при вскрытии напорных водоносных горизонтов, плывунных пород, при малой мощности водоупоров, наличии разломов, трещин, пустот и больших гидравлических градиентов. Исчезают реки, озера, пруды, затапливаются выработки, на поверхности земли образуются провалы |
Прорыв вод и плывунов через старые и новые трещины и пустоты, образующиеся при сдвижении пород в массиве; заброшенные шахты, шурфы, колодцы. Наличие напорных вод и плывунных пород |
|
Механическая и химическая суффозия |
Размыв и растворение пород, вынос мелкодисперсных частиц и солей, суффозионное разуплотнение, декольматация и развитие наледи |
Градиенты напора, вызывающие движение подземных вод, фильтрационный размыв и выщелачивание пород. Критические скорости. Напорная фильтрация подземных вод, водоотлив |
|
Подземные пожары |
Выгорание пластов каменного угля, горючих сланцев, торфа, сопровождаемое обрушением и сдвижением пород |
Самовозгорание и загорание при производстве горных работ |
Как показывают исследования, подземные природно-техногенные процессы интенсивно идут в депрессионных воронках, образованных при откачке воды. Здесь скорость перемещения подземных вод возрастает, поэтому повсеместно наблюдаются фильтрационная деформация некоторых типов пород, подземный размыв и вынос вещества.
Наиболее важными методами при изучении поверхностных процессов являются морфогеографический (изучение связи между рельефом и географической средой) и морфодинамический (изучение современных экзогенных рельефообразующих процессов). Породы, обнажённые при образовании выработок и сгруженные в отвалы, подвергаются процессам выветривания. Поверхностные преобразования материала отвалов происходят по-разному, в зависимости от их состава и гидротермических условий местонахождения. Отвалы, на поверхности которых развиты фитотоксичные породы, могут в течение десятилетий служить ареной физического и химического выветривания. Оставаясь безжизненными и оголенными, они служат источником сноса вредных веществ.
Процессы почвообразования. При достижении 40–70-летнего возраста почвы на отвалах по контрастности, выраженности генетических горизонтов становятся близкими к зрелым почвам окружающих ландшафтов, но характеризуются карликовостью, сжатостью всего профиля. Мощность таких почв не превышает десятка сантиметров. В то же время при зарастании отвалов, сложенных рыхлыми дисперсными породами, на них быстро развивается почвенный профиль, лишь по некоторым признакам отличающийся от зонального.
Эоловые процессы и аккумуляция. В районах действия горнодобывающих предприятий весьма активно происходит разнос вещества по воздуху и его аккумуляция вблизи источников питания. Насыщение воздуха пылью происходит за счет развевания открытых отвалов и других оголённых мест. Значительными её источниками являются также вентиляционные потоки воздуха из шахт, буровзрывные работы, погрузочно-разгрузочные работы и движение тяжёлых автомашин по грунтовым дорогам.
В Карагандинском угольном бассейне основной причиной сильного загрязнения воздуха, а также снега, поверхностных вод и почвы является наличие в угленосной толще, наряду с плотными крепкими углями, углей хрупких, которые при разработке дают много пыли. В результате территория вокруг шахты в радиусе 15–20 км засоряется угольной пылью.
Процессы осадконакопления проходят в искусственных водоёмах, образованных отработанными шахтными водами. Продукты смыва с отвалов в виде шлейфа распространяются на прилегающие к ним земли.
Эрозионные процессы. Плоскостному и ручейковому смыву подвергаются склоны отвально- терриконового комплекса. На склонах отмечаются такие эрозионные формы, как промоины, прорезающие склоны отвалов на всём протяжении, а также бороздки, рытвины, приуроченные к бровкам склонов (рис. 1).
Процессами заболачивания и затопления охвачены в основном подрабатываемые площади угольного бассейна. В Шерубайнуринском и Тентекском районах источником подтопления служат грунтовые воды аллювиальных отложений рек Шерубайнура и Сокыр. В этих районах вся подработанная шахтами площадь выбыла из хозяйственного использования [2].
Активизация процессов выщелачивания и снятие сил гидростатического взвешивания в зонах депрессионных воронок иногда приводят к формированию провалов. Нарушение естественного режима гидрогеологических и инженерно-геологических условий вследствие многолетней откачки воды из действующего рудника полиметаллургического комбината и понижения уровня подземных вод на глубину 200 м привели в 1978 г. в окрестностях г. Кентау к образованию карстового провала в девонских известняках. Площадь устья провала составила 1200 м2, и видимая глубина достигла
50–55 м. Для засыпки провала потребовалось около 33 тыс. м3 пустой породы. В результате процесса просадки целые жилые комплексы могут оказаться на дне отработанной шахты. На территории Карагандинского угольного бассейна в результате прогибания поверхности произошло оседание фундамента зданий, смещение блоков стен, обрушение потолочных перекрытий. По данным [3], средние скорости оседания составляют 60–100 мм в сутки. Максимальные величины прогиба составляют 70– 80 % от мощности выработанного пласта. В результате многолетнего ведения подземных горных работ на поверхности, в промзонах рудников и на близлежащих территориях образуется множество воронок обрушения. Кроме того, под влиянием шахтного водоотлива формируется депрессионная воронка площадью в десятки квадратных километров. Территории вокруг шахт из-за многочисленных провалов на поверхности являются зонами повышенной опасности.
Деформации пород, залегающих над выработками, носят различный характер — от плавных, без нарушения сплошности пород, до их полной дезинтеграции. При глубине залегания разрабатываемых пластов меньше 30–40-кратной величины их мощности просадка налегающих пород осуществляется весьма интенсивно (табл. 2).
Таблица 2
Формы провалов, возникающих в результате шахтной добычи полезных ископаемых
|
Форма провалов |
Форма и положение залежей полезных ископаемых |
|
Мульдообразные |
Разработка пластовых залежей средней (1,5–3 м) и большой (более 3 м) мощности горизонтального и волнистого залегания или пологого падения (до 27º). Мульда сдвижения горных пород находится в зоне прогибов |
|
Мульдообразные террасированные |
Разработка залежей пологого или наклонного (от 27 до 45º) падения. Мульда сдвижения горных пород находится в зоне прогибов или обрушения |
|
Каньонообразные |
Разработка пластовых залежей средней и большой мощности, крутого падения (45º), с обрушением вмещающих пород. Мульда сдвижения находится в зоне обрушения |
|
Каньонообразные с останцами |
То же при разработке сближенных пластов с крепкими вмещающими метаморфическими породами, стойкими к выветриванию |
|
Кольцевые |
Разработка крутопадающих штокообразных залежей. Мульда сдвижения находится в зоне обрушения |
Оседание массивов горных пород с образованием мульд, разрывов и сбросов происходит при избыточном расходовании подземных вод на орошение. Аналогичная картина наблюдается при водопонижении в районах разработки месторождений твердых полезных ископаемых, а также на площадях, где внутрипластовое давление снижается из-за добычи нефти и газа. При извлечении твердых полезных ископаемых осуществляется целый комплекс подготовительных, текущих и последующих горнотехнических мероприятий [4].
Такие мероприятия приводят к изменению геолого-геоморфологических, гидрологических и метеорологических условий в районе добычи и на смежных землях. Выемка и аккумуляция горных масс ведут к изменению геолого-геоморфологических условий; защита горнодобывающих предприятий от затопления — к изменению гидрологических и гидрогеологических условий; многие виды работ, при которых запыляется воздух, — к изменению метеорологических условий. Все эти мероприятия порождают, в свою очередь, целый комплекс процессов-следствий, которые также затрагивают атмосферную, гидросферную и литосферную составляющие района добычи полезных ископаемых.
Особая группа мероприятий проводится в пределах площади горного отвода и смежных территорий с целью уменьшения негативного эффекта всех явлений, возникающих при добыче. Самостоятельным комплексом работ можно считать рекультивацию земель, нарушенных добычей полезных ископаемых.
Обсуждение результатов
В связи с постоянным ростом цен на землю актуальность рекультивации заброшенных и вновь нарушаемых земельных площадей сейчас ни у кого не вызывает сомнений. Поэтому при проведении горных работ, линейного строительства и других мероприятий, резко ухудшающих состояние геологической среды, сейчас заранее планируется и комплекс рекультивационных преобразований. При этом предусматривается создание оптимальных для рекультивации условий. Такое опережающее планирование рекультивации имеет большое будущее и открывает широкие возможности перед отраслями науки и техники, связанные с проблемами рационального использования природы.
В районе развития аридных ландшафтов Казахстана еще одним из мероприятий по рациональному использованию нарушенных земель может стать создание туристско-рекреационных зон. Рассмотрение рельефа с позиций рекреационной географии во многом отвечает внутренним тенденциям развития геоморфологической науки. В последние годы стали появляться теоретические работы, посвященные вопросам экологической геоморфологии. В этих публикациях рельеф рассматривается как базисный элемент не только частных географических оболочек, но и как элемент основы техносферы и ноосферы [5].
Одним из критериев эстетики природных геоморфологических объектов является их привлекательность. По мнению О.А. Борсука и Д.А. Тимофеева, привлекательность форм рельефа выражается в четырех вариантах:
- сама форма как таковая. Обычно привлекают внимание формы рельефа, необычные для данного типа местности;
- формы рельефа в сочетании с соседними формами;
- формы рельефа в сочетании с иными (не геоморфологическими) явлениями и объектами;
- привлекательность естественного рельефа, усиленная рукотворным рельефом.
В качестве примера создания такой туристско-рекреационной зоны предлагается территория Центрального Казахстана, где получили широкое развитие как природные, так и техногенные формы рельефа.
Для решения ряда практических задач, и в первую очередь для целей рационального использования природных ресурсов, необходимо географическое районирование вообще и геоморфологическое в частности (рис. 2). Геоморфологическое районирование представляет собой многоступенчатую систему, состоящую из таксонов различного ранга. Крупные таксоны определены на основе учёта наиболее общих признаков, а более мелкие — частных признаков [6]. При геоморфологическом районировании Центрального Казахстана учтены основные принципы районирования:
- объективность;
- полная делимость;
- генетическая и историческая обусловленность;
- сочетание всей системы факторов рельефообразования;
- связь с современными географическими условиями.
На карте «Геоморфологическое районирование Казахстана» выделены крупные области и районы (рис. 2). Центральный Казахстан показан как область — Казахский щит, который состоит из 7 районов: на севере — низкогорье, мелкосопочник, цокольные равнины Кокшетауской возвышенности (1), на западе — аккумулятивные и денудационные равнины Тенизской впадины (2), низкогорья и мелкосопочник Улытауской возвышенности (3), волнистые денудационные равнины и мелкосопоч- ник Сарысу-Тенизского водораздела (4), в центре — главная водораздельная низкогорномелкосопочная возвышенность — Сарыарка (5), на востоке и юге — разноволнистые цокольные равнины с массивами низкогорий и мелкосопочника (6, 7). Эти геоморфологические районы характеризуются наличием таких природных объектов, которые смело можно отнести к туристско-рекреационным зонам.
Предложенная схема создания природно-рекреационной зоны в Центральном Казахстане может способствовать решению проблемы рационального природопользования на территориях, нарушенных разработками месторождений полезных ископаемых. Если учесть тот факт, что площадь аридных ландшафтов достигает порядка 75-80 %, то применение данной схемы даст ощутимые результаты в деле защиты и охраны окружающей среды Казахстана.
Список литературы
- Котлов Ф.В. Изменение геологической среды под влиянием деятельности человека / Ф.В. Котлов. — М., 1978. — С. 183-192.
- Акпамбетова К.М. Геоморфология аридных территорий Казахстана: учеб. пособие. — Ч. 2 / К.М. Акпамбетова. — Караганда: Изд-во КарГУ, 2002. — 112 с.
- Инженерная геология СССР. Урал, Таймыр и Казахская складчатая страна / В.П. Бочкарёв, И.А. Печёркин, Я.В. Неизвестнов и др. — М., 1990. — С. 318-366.
- Моторина Л.В. Рекультивация земель, нарушенных горнодобывающей промышленностью / Моторина Л.В., Н.М. Забелина. — М.: Мысль, 1968. — С. 140-145.
- Бредихин А.В. Рекреационные свойства рельефа / А.В. Бредихин // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5. География. — 2004. — № 6. — С. 24-30.
- Акпамбетова К. М. Физическая география Центрального Казахстана: учеб. пособие / К. М. Акпамбетова. — Караганда: Изд-во КарГУ, 2005. — 75 с.
- Карта геоморфологического районирования Казахстана [Электронный ресурс]. — Режим доступа:http://steppes.kspi.kz.