На правах рукописи

Мироненко Александр Тихонович ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ РЕЛЬЕФА ДОЛИННЫХ ГИДРООТВАЛОВ ВСКРЫШНЫХ ПОРОД ДЛЯ ЛИКВИДАЦИИ НЕГАТИВНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ Специальности: 25.00.22 - Геотехнология (подземная, открытая и строительная) 25.00.36 - Геоэкология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 Кемерово 2008

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Кузбасский государственный технический университет Научный руководитель кандидат технических наук, доцент Протасов Сергей Иванович Научный консультант доктор технических наук Кононенко Евгений Андреевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Кортелев Олег Борисович доктор технических наук, профессор Лесин Юрий Васильевич

Ведущая организация: ОАО Кузбассгипрошахт

Защита состоится 26.06.2008 г. в 1300 часов на заседании диссертационного совета Д 212.102.02 Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Кузбасский государственный технический университет по адресу: 650026, Кемерово, ул. Весенняя, 28.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Кузбасский государственный технический университет.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по указанному адресу.

Автореферат разослан 23.05.2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета В.В.Иванов 4

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Гидроотвалы являются составной частью весьма эффективной гидромеханизированной технологии разработки вскрышных пород на карьерах, но при этом характеризуются сравнительно большой землеемкостью. Так в Кузбассе гидроотвалы угольных разрезов занимают свыше 3500 га, а в бассейне Курской магнитной аномалии около 5000 га занято гидроотвалами и хвостохранилищами.

Чаще всего гидроотвалы размещают в оврагах, балках и долинах малых рек, так как значительная часть этих территорий является малопригодной для сельскохозяйственного использования, при этом требуется небольшой объем работ по обвалованию для создания первоначальной емкости.

Особенностями условий восстановления поверхности гидроотвалов после окончания их формирования являются, с одной стороны, потенциальное плодородие укладываемых пород, а с другой стороны, разжиженность грунтов и вызванная этим весьма низкая их несущая способность и слабая водоотдача, а также постоянная подпитка намывного массива атмосферными осадками в соответствии с местоположением гидроотвала в морфосистеме региона и контруклоном намытой поверхности по отношению к уклону тальвега основания.

Поэтому гидроотвалы даже после окончания их замыва и проведения горнотехнического и биологического этапов рекультивации, в результате постоянной подпитки атмосферными осадками или грунтовыми водами, заболачиваются. Например, территория внутренних зон гидроотвала Березовый Лог на КМА, составляющая около 750 га, несмотря на значительные затраты на ее восстановление, почти на треть подвержена заболачиванию, в результате чего произошло изменение видов растительности. Посевные травы вытесняются болотной растительностью - камышом и кустарниками, восстановленная территория становится малопригодной для сельскохозяйственного использования.

С целью исключения подобных явлений в Кузбассе, где гидроотвалы, в частности гидроотвал на реке Еловка разреза Моховский, заполнены более чем на 75 % от их проектной вместимости, необходимо обосновать выбор такого типа рельефа долинных гидроотвалов вскрышных пород, параметров и технологии его формирования, при которых обеспечивается устойчивое и полноценное использование восстановленных земель с точки зрения экологии.

Целью работы является обоснование параметров и технологии формирования рельефа долинных гидроотвалов вскрышных пород, обеспечивающих экологически устойчивое и эффективное использование восстанавливаемых территорий для их последующей рекультивации.

Идея работы заключается в использовании геоморфологических принципов для определения параметров и технологических схем формирования рельефа долинных гидроотвалов и ликвидации негативного воздействия их на окружающую среду.

Задачи исследований:

- обоснование формы и параметров техногенного рельефа долинных гидроотвалов, формируемого в процессе отвалообразования вскрышных пород, по которому будут протекать водотоки;

- обоснование выбора технических средств и параметров технологических схем формирования рельефа долинных гидроотвалов с низкой несущей способностью поверхности;

- обоснование принципов и методики определения вместимости долинных гидроотвалов с точки зрения технологических и экологических требований.

Методы исследований:

- анализ и обобщение проведенных ранее теоретических и экспериментальных работ по данному направлению исследования;

- аналитические исследования с использованием основополагающих положений физики, гидравлики, гидромеханизации, геоморфологии и механики, включая методы обработки результатов исследований с помощью ЭВМ и технико-экономический анализ.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Уклон водотока, создаваемого на поверхности долинного гидроотвала, определяет форму и параметры его рельефа и должен исключать размыв и заиление ложа водотока, обеспечивая беспрепятственный пропуск паводковых вод, при этом диапазон его значений определяется исходя из гидрометеорологических условий региона и литологического состава укладываемых пород.

2. Для долинных гидроотвалов с низкой (менее 0,29 МПа) несущей способностью их поверхности эффективно применение землесосных снарядов, позволяющих формировать экологически адекватный рельеф за счет оптимальной переукладки намытых пород в ходе строительства системы каналов для пропуска паводковых вод и водоема для рекреационного использования восстанавливаемой территории.

3. Гидроотвал, расположенный в долине, с точки зрения экологии имеет предел вместимости, который определяется возможностями восстановления функции его рельефа в морфосистеме региона по пропуску осадков, не нарушая эрозионно-аккумулятивную деятельность водотока, протекающего по тальвегу долины.

Научная новизна работы заключается:

- в выявлении закономерностей для расчета уклона водотока, формируемого в процессе отвалообразования вскрышных пород в долинном гидроотвале для последующего его восстановления и обеспечивающего исключение размыва его основания и пропуск паводковых вод с учетом гидроклиматических условий региона и литологического состава намываемых пород;

- в обосновании возможности использования в процессе отвалообразования вскрышных пород землесосных снарядов для формирования экологически адекватного рельефа поверхности за счет оптимальной переукладки пород долинных гидроотвалов с низкой (менее 0,29 МПа) несущей способностью его поверхности и формирования системы каналов для пропуска паводковых вод, а также создания водоема для рекреационного использования восстанавливаемой территории;

- в обосновании понятия и величины предела экологической вместимости долинных гидроотвалов.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций диссертационной работы основаны на использовании широкого диапазона научных методов исследований, включающих анализ и обобщение теоретических и экспериментальных работ, и подтверждаются сходимостью результатов аналитических исследований с данными экспериментов в производственных условиях, использованием результатов научных исследований в проектировании.

ичный вклад автора состоит в проведении анализа условий формирования гидроотвалов и современных методов их восстановления, выявлении зависимостей, определяющих диапазон величины уклона восстанавливаемой территории поверхности долинных гидроотвалов с учетом гидроклиматических условий региона и литологического состава намытых пород, а также в обосновании понятия предела экологической вместимости гидроотвалов, разработке рекомендаций по проведению горнотехнического этапа рекультивации гидроотвала на реке Еловка филиала ОАО УК Кузбассразрезуголь Моховский угольный разрез с использованием землесосных снарядов.

Научное значение работы состоит в установлении зависимостей, определяющих диапазон величины уклона рекультивируемой территории поверхности долинных гидроотвалов в зависимости от гидроклиматических условий региона и литологического состава намытых пород.

Практическая ценность работы заключается в разработке методики расчета параметров техногенного рельефа долинных гидроотвалов с низкой несущей способностью, обосновании техники и технологии для их восстановления.

Реализация выводов и рекомендаций. Рекомендации по восстановлению нарушенных земель использованы институтом Кузбассгипрошахт в Рабочем проекте наростки дамбы гидроотвала на реке Еловка филиала ОАО УК Кузбассразрезуголь, а методика расчета параметров техногенного рельефа долинных гидроотвалов принята к реализации институтом ДальвостНИИпроектуголь.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на симпозиуме Неделя горняка (Москва, МГГУ, 2004-2005гг.), на международных конференциях Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности (Кемерово, 2004-2007гг.), на техническом совещании филиала ОАО УК Кузбассразрезуголь Моховский угольный разрез.

Публикации. Основные результаты исследований и научные положения опубликованы в 5 научных работах, в том числе 3 - в изданиях рекомендованных ВАК России.

Объем работы. Диссертационная работа изложена на 175 страницах машинописного текста и состоит из введения, четырех глав, заключения, одного приложения и содержит 36 рисунков, 19 таблиц, список литературы из наименований.

Автор выражает признательность д.т.н. Е. А. Кононенко за ценные консультации, а научному руководителю и коллективу кафедры ОГР ГУ КузГТУ за помощь и поддержку при выполнении работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

При разработке месторождений полезных ископаемых происходит интенсивное изъятие земель для карьеров, отвалов и техкомплекса на поверхности, что приводит к изменению ландшафта окружающих земель и, как следствие, нарушению экологического равновесия.

Простое восстановление эстетики пейзажа или топографии поверхности не обеспечивает ассимиляцию техногенного рельефа рекультивированных территорий с природными морфосистемами, так как воссоздаваемый рельеф не всегда находится в динамическом равновесии и в нем могут наблюдаться эволюционирующие формы. Следовательно, в практику работ по восстановлению нарушенных земель необходимо включить геоморфологический принцип, который позволит обосновывать экологически оптимальный рельеф на основе исследований закономерности возникновения и развития земной поверхности.

Впервые обоснование параметров угла наклона отвальных поверхностей по причине водно-ветровой эрозии приведено в работе И. И. Русского. В дальнейшем вопросу обоснования параметров техногенного рельефа для последующей рекультивации с учетом геоморфологического подхода были посвящены работы отечественных ученых, среди которых Л. В. Анзимиров, А.

М. Гальперин, Е. А. Кононенко, О. Б. Кортелев, Ю. В. Лесин, Г. А. Нурок, А.

В. Русский, В. И. Супрун, Е. П. Щербакова и др.

Все работы перечисленных авторов были направлены на создание устойчивого техногенного рельефа по отношению к геоморфологическим процессам, протекающим в регионе. Однако по вопросу восстановления функции самого рельефа в морфосистеме региона и, что особенно важно, при расположении гидроотвалов в долинах рек исследования не проводились.

юбая совокупность неровностей земной поверхности - рельеф как эндогенного, экзогенного, так и техногенного генезиса - подвергается довольно активному воздействию рельефообразующих процессов, которые, в свою очередь, являются функцией географического положения территории. Для обеспечения целостной и рациональной рекультивации земель, нарушенных горными работами, свойства которых изменены вмешательством человека, необходимо располагать сведениями о параметрах и особенностях рельефообразующих процессов и, соответственно, учитывать их в процессе восстановления земель.

Все техногенные формы рельефа с момента их создания вовлекаются в сферу действия геоморфологических процессов, протекающих в естественных морфосистемах, и взаимодействуют с ними. Естественные морфосистемы, получившие антропогенное воздействие, видоизменяются. При этом в них могут активизироваться естественные рельефообразующие процессы и негативно воздействовать на сформированный техногенный рельеф. В этой связи необходимо с позиций геоморфологии определить функциональное значение форм рельефа в морфосистемах и выявить реликтовые формы.

Анализ проведенных в нашей стране и за рубежом исследований, а также морфосистем Кузбасса показал, что ввиду наличия ряда необратимых процессов (изменения литологического состава и физико-механических свойств грунта), неизбежных при проведении горнотехнического этапа рекультивации, геоморфологическая обстановка восстановленных территорий сильно отличается от естественной. В связи с этим появляется задача адекватного восстановления рельефа, выбора стратегии экологически адекватной рекультивации, основанной на геоморфологических методах. Под экологически адекватным восстановлением нарушенных земель подразумевается такая совокупность технологических процессов по формированию техногенного рельефа на основе изучения региональных особенностей индивидуально для каждого типа рельефа и физико-географической обстановки, которая обеспечивает возвращение земель в природную геоморфосистему ландшафтных комплексов с прежними функциями.

Проведенный анализ позволил сформулировать цель работы и задачи исследования.

Высокоэффективная и экологически наиболее чистая технология гидромеханизированной разработки вскрышных пород при добыче полезных ископаемых открытым способом имеет один довольно существенный недостаток, сдерживающий ее распространение, гидроотвалы для приема и осветления гидросмеси. Уложенные там породы долго консолидируются, а территория сложна для восстановления.