Рекультивация нарушенных горными работами земель как ноосферная технология

Экосистемой высшего ранга на Земле является биосфера — оболочка планеты, населенная жи­вым веществом.

Понятие биосферы появилось в биологии в XVIII в., однако первоначально оно имело совсем иной смысл, чем теперь. Биосферой именовали небольшие гипотетические глобулы (ядра органиче­ского вещества), которые, якобы, составляют основу всех организмов. К середине XIX столетия в биологии уточняются позиции научных представлений о реальных органических клетках, и термин «биосфера» утрачивает свой прежний смысл. К идее биосферы в ее современной трактовке пришел Ж. -Б. Ламарк (1744-1829), основатель первой целостной концепции эволюции живой природы, одна­ко данный термин он не использовал. Впервые в близком к современному смыслу понятие «биосфе­ра» ввел австрийский геолог Э.Зюсс, который в книге «Происхождение Альп» (1875) определил ее как особую, образуемую организмами оболочку Земли. В настоящее время для обозначения этой оболочки используются понятия «биота», «биос», «живое вещество», а понятие «биосфера» трактует­ся так, как его толковал академик В.И.Вернадский (1863-1945).

Целостное учение о биосфере представлено в его ставшей классической работе «Биосфера» (1926). В.И.Вернадский определил биосферу как особую, охваченную жизнью оболочку Земли. В фи­зико-химическом составе биосферы В.И.Вернадский выделяет следующие компоненты:

—   живое вещество — совокупность всех живых организмов;

— косное вещество — неживые тела или явления (газы атмосферы, горные породы магматиче­ского, неорганического происхождения и т.п.);

—   биокосное вещество — разнородные природные тела (почвы, поверхностные воды и т.п.);

— биогенное вещество — продукты жизнедеятельности живых организмов (гумус почвы, камен­ный уголь, торф, нефть, сланцы и т.п.);

—   радиоактивное вещество;

—  рассеянные атомы;

—  вещество космического происхождения (космическая пыль, метеориты).

Вернадский поставил интереснейшую проблему: какова роль органического мира в жизни нашей планеты? Он выяснил огромное значение живого вещества во всех геологических процессах на по­верхности планеты и в образовании атмосферы, хотя по весу оно составляет ничтожную часть плане­ты (около 0,1 % ее веса). Он установил, что свободный кислород атмосферы — продукт жизнедея­тельности растений, что энергия солнечных лучей, преобразуемая земными растениями, играет большую роль в геологических и геохимических процессах в земной коре; показал значение живых организмов в перемещении, концентрации и рассеивании химических элементов. Многие горные по­роды целиком созданы живыми организмами.

В биосфере ученый особо выделил процессы и их продукты, связанные с жизнедеятельностью человека. В числе факторов, изменяющих земную кору, человек занимает особо важное место. Чело­век влияет на природу так, что «лик планеты — биосфера — химически резко меняется сознательно и главным образом бессознательно» [1].

По мнению В.И.Вернадского, с возникновением человека и развитием его производственной деятельности человечество становится основным геологическим фактором всех происходящих в био­сфере планеты изменений, приобретающих глобальный характер: «Человечество, взятое в целом, становится мощной геологической силой» [2]. Дальнейшее неконтролируемое развитие деятельности людей таит в себе большую опасность и потому, считал В.И.Вернадский, биосфера должна постепен­но превращаться в ноосферу, или сферу разума (от греческих noos — разум, spharia — шар).

Основателями концепции ноосферы можно считать трех ученых — видного французского мате­матика, антрополога и палеонтолога Э.Леруа (1870-1954), французского теолога, палеонтолога и фи­лософа П.Тейяра де Шардена (1881-1955) и выдающегося российского ученого-естествоиспытателя

В.И.Вернадского. Все они одинаково подходили к оценке человеческой истории, органично продол­жающей естественную историю. В концепции ноосферы разум человека предстает природным, кос­мическим явлением.

Но наибольший вклад в развитие идеи ноосферы как закономерного этапа не только в истории общества, но и биосферы в целом внес В.И.Вернадский, поэтому учение о ноосфере ассоциируется именно с его именем. Под понятием «ноосфера» ученый подразумевал высшую форму развития био­сферы, определяемую гармонично сосуществующими процессами развития общества и природы. Учение В.И.Вернадского о ноосфере утверждает принцип совместной эволюции человечества и при­родной среды (сейчас этот процесс называют коэволюцией), нацеливает на поиск практических путей обеспечения общественно-природного равновесия.

Понятие «ноосфера» отражает будущее состояние рационально организованной природы, новый этап развития биосферы, эпоху ноосферы, когда дальнейшая эволюция планеты будет направляться разумом в целях обеспечения необходимой гармонии в сосуществовании природы и общества.

Исходя из цели построения ноосферы существует бесспорная необходимость восстанавливать нарушенную человеком биосферу. Применительно к основным угледобывающим регионам Респуб­лики Казахстан (Карагандинский и Экибастузский бассейны) — это рекультивация нарушенных гор­ными работами земель.

При подземной угледобыче нарушения литосферы менее выражены, но проявляются в виде так называемого «техногенного карста» — провалов, воронок, трещин, просадок земной поверхности. В результате проходческих работ на-гора также выносится большая масса глубинных горных пород.

Добыча угля открытым способом в основных бассейнах Казахстана происходит в условиях раз­работки сложноструктурных угольных месторождений, не имеющих аналогов в мировой практике, которые характеризуются следующим:

—  свитами пластов различной мощности (от 1-3 до 10-30 м) с широким диапазоном углов зале­гания от пологих (3-10°) до крутых (80-90°) и значительными дизъюнктивными нарушениями;

—  скальными вмещающими породами, которые требуют предварительного дробления и облада­ют высокой сопротивляемостью к взрыву;

—  высокими значениями коэффициентов вскрыши, возрастающими с глубиной разработки, и сложным рельефом поверхности;

—  суровыми климатическими условиями с продолжительным зимним периодом.

Разнообразие условий определяет необходимость применения различных технологий, что, в свою очередь, требует разных подходов к рекультивации нарушенных земель.

При открытых горных работах по масштабам выраженности отвалы вскрышных горных пород соизмеримы с природными горными структурами, что дало основание появлению научного термина «антропогенный орогенез» — образование гор человеком. Причем внешние отвалы породы занимают 50-70 % нарушенной поверхности, что увеличивает землеемкость добычи и вызывает целый ком­плекс негативных экологических последствий, основные из которых — это сокращение площади ес­тественных ландшафтов, возникновение на их месте безжизненных пустырей, загрязнение приле­гающих территорий продуктами водной и ветровой эрозии.

С целью снижения высокой землеемкости, связанной с формированием внешних отвалов, разра­ботаны технологии разработки крутых и наклонных угольных месторождений. В основе этих техно­логий лежит поперечное расположение фронта горных пород, перемещающегося по простиранию залежи с поэтапным их углублением и укладкой пород во внутренний отвал. Рекультивация земель производится вслед за их нарушением. Блоковый способ разработки позволяет после создания перво­очередной карьерной выемки избежать необходимости формирования внешних отвалов, уменьшает землеемкость в несколько раз. Происходящее при использовании технологии с поэтапной отработкой карьера и внутренним отвалообразованием уменьшение площади рабочей зоны в 10-15 раз по срав­нению с продольной системой разработки снижает отрицательное воздействие угольного производ­ства на водный и воздушный бассейны, что улучшает экологическую ситуацию в районе угледобычи.

Каждый тип породных отвалов имеет свои особенности при их рекультивации.

Отвалы, отсыпанные при бестранспортной вскрыше угольных пластов, представляют собой, как правило, гряды конусовидных навалов рыхлых пород, высота которых зависит от типа используемых экскаваторов. Так, при работе машин ЭШ-90/20 высота обычно в пределах 40-50 м. При веерной от­сыпке образуется относительно сглаженный рельеф, без пиков и с меньшим перепадом высот.

Разравнивание бестранспортных отвалов бульдозерами для целей рекультивации вызывает зна­чительное уплотнение грунта, что приводит к снижению водопроницаемости, влагоемкости, аэрации. На уплотненных грунтах (свыше 15 кг/см²) показатели роста растений, особенно древесных, ниже на 30-40 %, чем на рыхлых грунтах. Оптимальный режим для растений сохраняется при разравнивании отвалов шагающими экскаваторами, при этом не происходит чрезмерного уплотнения грунта, созда­ются однородные условия по всей площади, становится возможным использование механизмов при посеве трав и посадке леса.

Компромиссным решением проблемы уплотнения грунта является частичное разравнивание — срезка только вершин и гребней, некоторое выполаживание крутых откосов. При этом уплотнение грунта будет происходить в меньшей мере, чем при полном разравнивании бульдозерами и скрепе­рами. Доводом в пользу частичного разравнивания служит и то, что создаваемые на отвалах лесона­саждения имеют в основном природоохранное назначение, и пересеченный рельеф с ландшафтных позиций будет более ценным, чем ровная поверхность. Остающиеся после частичного разравнивания «гористость» и «холмистость» ландшафта создают многочисленные экологические ниши для поселе­ния животных и птиц. На такого рода территориях восстанавливающиеся экосистемы будут более полными и сложными по составу, а следовательно, и более устойчивыми.

Отработанные и осушенные гидроотвалы вскрышных пород представляют собой наиболее бла­гоприятные для рекультивации объекты, поскольку они сложены из потенциально плодородных гор­ных пород (в основном, суглинков) и имеют ровную поверхность. Используются преимущественно под сельскохозяйственную рекультивацию, и только откосы обваловочных дамб отводятся под обле­сение. Сложность использования гидроотвалов состоит в длительном сроке их высыхания. Ускорить этот процесс возможно путем устройства различного рода дренажных сооружений.

При транспортной вывозке вскрышных пород образуются плоские отвалы различной конфигу­рации, площади и высоты, они не требуют дорогостоящих работ по разравниванию, однако их по­верхность бывает сильно уплотнена от прикатывающего действия большегрузных автомобилей и бульдозеров. Ровные поверхности отвалов преимущественно используются для сельскохозяйствен­ной рекультивации после нанесения на них плодородного слоя почвы, а откосы отвалов — под по­садку леса. Выполаживание крутых откосов в ряде случаев производить нецелесообразно по сле­дующим мотивам: внешние транспортные отвалы обычно расположены в окружении ненарушенных, биологически продуктивных земель, потому выполаживание откосов «сверху-вниз» приведет к уве­личению площади отвала, в этом случае под горными породами погребаются естественные ланд­шафтные образования, которые биологически более продуктивны, чем техногенные.

Крутые откосы можно засаживать вручную; чтобы выположить откосы до крутизны, дающей возможность применения тракторных агрегатов (менее 15°), необходимо «растянуть» отвал, что по- требует гораздо больших затрат, чем ручная посадка. К тому же можно частично механизировать ра­боты на крутых откосах с помощью гидропосева.

При нанесении на поверхность транспортных породных отвалов плодородного слоя почвы с целью восстановления пахотных угодий существует проблема «временного лага» начала этих ра­бот. Основные вскрышные горные породы бассейна — песчаники, алевролиты, аргиллиты — имеют прочную структуру и различный период разрушения от физического выветривания, зависящий от степени метаморфизма и свойств цементирующих их минералов. Отсыпанные в отвал даже при сильном прикатывании породы начинают разрушаться неравномерно. Отдельные фрагменты вывет­риваются быстрее других, в результате чего образуются своеобразные «ловушки», в которых скапли­ваются атмосферные осадки, и процесс разложения породы в этих точках усиливается. Происходит локальное вымывание мелкоземных фракций вглубь, из-за чего на поверхности возникают вначале незначительные углубления, превращающиеся в последующем в более глубокие ямы. Образуется своеобразный ямочно-бугристый микрорельеф, с перепадом высот до 1 метра. Предотвратить этот процесс не удается, поскольку осадочные глубинные горные породы, вынесенные на поверхность, неизбежно меняют свою структуру, дезинтегрируются как под воздействием внутреннего физическо­го напряжения, так и внешних природных факторов (переменного увлажнения, изменения темпера­туры). Перекрытие поверхности отвала даже толстым экранирующим слоем суглинка (до 2-х метров) только замедлит на несколько лет начало деформации поверхности, но не исключит ее. В связи с этим насыпать на отвалы из таких горных пород плодородный слой почвы для создания пахотных угодий нельзя до полной естественной стабилизации поверхности, которая происходит в среднем че­рез 10 лет после сформирования отвалов. В таких случаях целесообразно поверхность отвалов, во избежание вредного воздействия на окружающую среду, подвергать временной биологической ре­культивации. Для этого пригодны посевы многолетних бобовых трав в сочетании с посадкой быстро­растущих кустарников, способных произрастать на малоплодородных субстратах. В последующем, после прекращения усадочных явлений, на эти площади после ремонта поверхности можно наносить почвенный слой для создания пашни и других сельскохозяйственных угодий.

Затрудняет проведение биологической рекультивации каменистость вскрышных горных пород. Содержание скелетного материала (фракций крупнее 1 мм) в свежеотсыпанных отвалах достигает 98 %, а фракций крупнее 10 мм — 95 %. Разрушение каменистых фракций осадочных пород проис­ходит довольно быстро — через 3-5 лет в 20-сантиметровом поверхностном слое содержание камней уменьшается в 2-4 раза, в более глубоких горизонтах интенсивность физического выветривания ни­же.

Для каменистых грунтов возникает вопрос об оптимальном сроке проведения биологической ре­культивации после их отсыпки в отвалы. В первые 1-2 года сохраняется высокая каменистость, пре­пятствующая росту растений, через 5-6 лет после отсыпки происходит естественное уплотнение грунта, а также заселение отвалов сорной растительностью, что также отрицательно сказывается на успехе рекультивации. Поэтому в таких условиях следует приступать к посадке леса или залужению отвалов, если не производится нанесение почвенного слоя на 3-4-й год после их отсыпки, по крайней мере, не раньше, чем каменистость поверхностного слоя снизится до 50 %.

Вышеприведенные факторы усложняют проведение рекультивации, вместе с тем вещественный состав вскрышных пород вполне пригоден для роста многих видов растений, что облегчает работы по биологической рекультивации. Биологический этап рекультивации является завершающим, заключа­ется в восстановлении биологической продуктивности нарушенных земель как непременного условия существования и функционирования биосферы. Основным требованием биологической рекультива­ции должна быть ее высокая экологическая эффективность, не исключая при этом и хозяйственную, потребительскую.

Следует отметить, что присутствие на поверхности земли громадной массы глубинных горных пород, образованных в другие геологические эпохи, неизбежно меняет условия окружающей среды. Если эти породы и не фитотоксичны (по вопросу их токсичности требуются самостоятельные иссле­дования), то привнос в естественные биоценозы большого количества инородных субстратов отрица­тельно сказывается на сложившихся биогеохимических процессах. Миграция элементов и соедине­ний горных пород превращает локальные геохимические аномалии в региональные.

Рекультивация нарушенных земель и призвана создавать геохимические барьеры, сокращающие миграцию инородных веществ в окружающую среду. На горно-техническом этапе рекультивации необходимо создание механических барьеров (снижение водной миграции веществ в отстойниках, прекращение эрозии) и физико-химических барьеров (изменение окислительно-восстановительных и кислотно-щелочных условий). Биогеохимические барьеры формируют растительность. Чем выше продуктивность фитоценоза и больше глубина корнеобитаемой толщи, тем выше его буферные барь­ерные свойства. В этом плане преимущество имеют древесные виды и многолетние травы. Рекульти­вацию нарушенных земель как ноосферную технологию следует рассматривать и осуществлять ком­плексно по таким направлениям:

—  анализ геологического строения покровной и угленосной толщи как литогенной основы фор­мирования будущего техногенного ландшафта;

—  технология вскрышных работ и отвалообразования при открытых горных работах, направлен­ная на снижение землеемкости и сокращение сроков эксплуатации месторождения;

— технология закладки выработанного пространства шахт (поиск закладочного материала, его подготовка) для предотвращения деформации земной поверхности;

— формирование оптимальных параметров рельефа при горно-техническом этапе рекультивации;

—  почвенные характеристики горных пород, оценка их пригодности, создание рекультивацион- ного горизонта;

—  способы и методы биологической рекультивации с высоким экологическим эффектом.

Только при таком системном подходе возможно минимализировать разрушительное воздействие

горных работ на биосферу, восстановить нормальные условия жизнеобеспеченности человека в гор­но-добывающих районах, словом, вписаться в «ноосферу» — сферу разума.

Список литературы

1. Самин Д.К. Сто великих ученых. — М.: Вече, 2000. — С. 423.
2. Вернадский В.И. Биосфера и ноосфера. — М.: Наука, 1989. — С. 205.