Scientific journal

Scientific Review. Technical science

ISSN 2500-0799

ПИ №ФС77-57440

В арктических и северных регионах масштабы нарушения окружающей природной среды горнопромышленными предприятиями с каждым годом заметно увеличиваются, вызывая нарушение и вывод из сельскохозяйственного оборота земель. Выработанные пространства, отвалы и технологические площадки становятся источниками загрязнения окружающей среды, атмосферы, воды и почв, прилегающих сельскохозяйственных угодий, нарушают санитарно-гигиенические условия окружающей среды. С целью восстановления природного баланса территорий горнопромышленных регионов следует произвести их рекультивацию. Опыт рекультивации нарушенных земель в стране и за рубежом представлен в работах [1–3], где рассмотрены масштабы нарушения земель, их накопление и основные виды технологической и биологической рекультивации. Анализ работ показывает, что в настоящее время идет интенсификация накопления нарушенных земель выработанными пространствами, отвалами, технологическими дорогами и площадками, что требует безотлагательных мер по восстановлению нарушенных земель [4].

За последние годы выполнено достаточно много научно-исследовательских работ по разработке экологически безопасных технологий разработки месторождений ирекультивации нарушенных земель [5–7]. В работах представляются технологии ведения горных работ с внутренним отвалообразованием и последующей их рекультивацией. Данные технологии наиболее подходят для разработки угольных месторождений в условиях многолетней мерзлоты. Однако в этих работах не представляются технологии биологической рекультивации выработанного пространства с последующим использованием рекультивированного карьерного поля в народном хозяйстве.

Для решения вопроса восстановления нарушенных земель нами рассмотрены варианты их рекультивации, в том числе биологическая, и их использования в других целях после трансформирования месторождения в рекреационные зоны. Термин «трансформирование месторождения» включает в себя разработку месторождения с извлечением полезного ископаемого и дальнейшее его использование в других целях. Например, после биологической рекультивации в виде пастбищ или создания в выработанном пространстве рекреационной зоны в виде пруда с использованием месторождения после извлечения полезного ископаемого [8, 9]. Таким образом, трансформирование месторождения включает его разработку, извлечение полезного ископаемого, технологическую и биологическую рекультивации. Настоящая работа посвящена биологической рекультивации угольного месторождения.

Как известно, Якутия– крупнейший регион по добыче алмазов, золота, полиметаллов, руд и угля и, как следствие, их добыча открытым способом привела к обширным нарушениям ландшафта и загрязнениям водных ресурсов, в целом к дисбалансу экосистемы и ее трансформации в непригодные земли. В связи с этим актуально не только изучение состояния нарушенных земель, но и исследование возможностей их биологической рекультивации.

Цель исследования– трансформирование выработанного пространства карьера «Харбалахский» и отвалов в результате биологической рекультивации для его использования в различных сферах народного хозяйства.

Задачи исследования:

1.Изучить регенеративную способность естественных и техногенных почвогрунтов на карьере «Харбалахский».

2.Определить площади и объемы, подлежащие рекультивации при трансформировании карьера «Харбалахский».

3.Выявить наиболее регенеративные способы биологической рекультивации площадей разреза «Харбалахский» без применения плодородного слоя.

Результаты исследования могут быть использованы при оценке потенциала биологической рекультивации нарушенных площадей малых угледобывающих разрезов в условиях криолитозоны, что позволит обеспечить инновационные, эффективные и экономически целесообразные методы биологической рекультивации или создание рекреационных зон. Также определить основные направления трансформирования месторождения и области использования выработанного пространства и отвалов повторно.

Новизна: впервые при разработке угольных месторождений в условиях многолетней мерзлоты вводится понятие «трансформированное месторождение» как следствие технологической и биологической рекультивации выработанного пространства и отвалов для их дальнейшего использования в различных отраслях народного хозяйства.

Материалы и методы исследования

Объектами исследования являются техногенные экосистемы (выработанное пространство, отвалы, технологические площадки, дороги, почвы и растительность) Харбалахского угольного разреза (АО «Т?л?н») с. Харбалах Таттинского улуса Республики Саха (Якутия). Добыча угля ведется открытым способом.

Почвогрунты изучались с применением рекогносцировочных и лабораторных методов. Анализы химических свойств почв выполнены в Якутской республиканской агрохимической проектно-изыскательской станции. Для определения трансформационного месторождения производились расчеты выработанного пространства карьера «Харбалахский». При проведении исследований биологических ресурсов на территории Харбалахского разреза были использованы общепринятые ботанические и геоботанические методы Миркина и Розенберга. Названия растений использованы на русском языке по С.К. Черепанову [10, 11].

При этом было использовано новое понятие о разработке месторождения и дальнейшем его использовании после рекультивации, представленное Б.Р. Ракишевым под термином «трансформированное месторождение». Согласно этому понятию это месторождение полезного ископаемого как горно-геологический объект на поверхности, состоящее из массива различных горных пород, а после извлечения полезного ископаемого– месторождение в виде деформированных массивов, выработанного пространства, отвалов, технологических площадок и объектов с нарушенным ландшафтом.

Экологическая обстановка карьера «Харбалахский». Карьер «Харбалахский» представляет собой выработанное пространство в виде ямы на берегу р. Амга после извлечения угля, песчано-гравийной смеси и пород вскрыши, а также отвалами, высотой до 22–30 м и террасированным бугристым рельефом с крутонаклонными откосами. При этом, как правило, площадка выработанного пространства, технологических дорог и отвалов уплотнена техникой, что усложняет произрастание и развитие любой растительности, что делает трансформированное месторождение неблагоприятным в экологическом отношении объектом. Так как сказывается кислотность пород, складированных в отвалы, где произрастание растительности происходит очень долго и вследствие вымывания солей дождевыми водами и оттаивания снега.

Степень зарастания отвалов растительностью. Растительный покров территории формируется на плоскогорном рельефе в условиях лучшей теплообеспеченности при большем количестве осадков и пониженной континентальности климата. На старых отвалах карьера «Харбалахский» (2010–2015 гг.) начинаются процессы естественного зарастания. Доминирующие виды растительности: лиственница даурская, ива-верба (1–1,7 м), пастушья сумка, иван-чай, осока острая, полынь обыкновенная, клевер ползучий. На отвалах 2020–2021 гг. растительности не наблюдается (на откосах полынь).

Работы по изучению трансформированного месторождения для биологической рекультивации карьера «Харбалахский» проводились совместно с инженерами АО «Телен». В ходе исследовательской работы изучены почвенный грунт, вода в отстойнике, растительность, отвалы пустых пород и определена степень трансформированности месторождения для биологической рекультивации.

Результаты исследования и их обсуждение

Результаты анализа плодородного слоя показали, что в районе ведения горных работ преимущественное развитие имеют эллювиальные и делювиальные карбонатные породы, а также дерново-карбонатные почвы. Местами обнаружены нижнекембрийские породы, перекрытые аллювиально-делювиальными отложениями с мерзлыми торфяниками.

Таким образом, долина р. Амга преимущественно отложена мерзлыми аллювиальными дерновыми торфяно-глеевыми почвами, малопригодными для биологической рекультивации.

Первые две фракции характерны длянижней половины комплекса, сложенной переслаиванием мелкозернистых песков, глин, суглинков и супесей, с включениями древесных остатков и тонкими линзами растительного детрита.

Верхняя часть представлена исключительно супесями и суглинками. Для данной толщи характерны четко выраженные косые и вертикальные текстуры, наличие крупных ледяных жил. Мощность отложений от 8–10 до 70 м.

Таблица 1

Результаты испытанийЛабораторный номер пробы № 286-В

Таблица 2

Компонентный состав

Химический состав горной породы (97,44 %)

Результаты испытаний. Наименование образца (пробы): Отходы.

Цель: определение компонентного состава (табл. 1).

На основании химического анализа дляотхода «вскрышные породы в смеси практически неопасные» установлен следующий компонентный состав (табл. 2).

Также провели анализ воды отстойника карьера «Харбалахский».

Источником обводнения выработки будут служить воды атмосферных осадков. Выработка будет представлять собой котлован.

Для сбора и отвода всех атмосферных вод, поступающих с участков местности, расположенных на склоне выше границ разреза, проходит нагорная канава трапециевидного сечения длиной 543 м, обеспечивающая отвод воды в пониженное место рельефа. Канава проведена бульдозером на механическое рыхление вдоль западного борта разреза.

Уклон дна разреза 0,06 в сторону юго-западного угла обеспечит сток вод атмосферных осадков с полотна дна разреза. Стекающие воды собираются в зумпф-отстойник, сооружаемый бульдозером на мехрыхление, на самых низких отметках дна разреза, после зимне-весенней добычи угля. Зумпф-отстойник играет роль очистного сооружения, где эти воды будут отстаиваться. Размеры земляного отстойника составляют: в плане 15×8 м, высота проточной части – 2 м. Зумпф разделяется внутри на две части фильтрующей дамбой из крупного камня.

Расчетный суточный приток дождевых вод в разрез составляет 155 м3/сут. Принятая емкость водоема с учетом перелива – 200 м3.

Вода из разреза периодически, по мере заполнения, откачивается насосом из водоприемного зумпфа и подается по водоводу на зумпф-отстойник, расположенный за пределами разреза в сторону юго-восточного угла. В зумпфе-отстойнике той же конструкции, что и зумпф-водосборник, очищенная вода периодически сливается самотеком на рельеф местности, а далее стекает в руч. Улахан-Уоттах.

Таблица 3

Характеристика условий выполнения анализа при биотестировании Результаты испытаний Лабораторный номер пробы № 286

Таблица 4

Точка отбора пробы: карьер угля

Биотестируемая среда: водная вытяжка из отходов: «вскрышные породы в смеси практически неопасные».

Для эксперимента использовались следующие кратности разбавления водной вытяжки: 1 (без разбавления), разбавление в 100 раз, разбавление в 1000 раз, разбавление в 10000 раз. В качестве тест-объектов для проведения исследования соответствии с областью аккредитации использованы Daphnia magna Straus и Chlorella vulgaris Beijer. По результатам проведения лабораторных исследований, измерений и испытаний, проведенных методом биотестирования, установлено следующее: водная вытяжка из отходов «вскрышные породы в смеси практически неопасные» без разбавления, а также при кратности разбавления в 100 и более раз не оказывают токсического действия на тест-объекты Daphnia magna Straus и Chlorella vulgaris Beijer. Результаты биотестирования на двух тест-объектах показали, что в соответствии с Критериями отнесения опасных отходов к классу опасности для окружающей среды, утвержденными приказом МПР от 22.05.2017 № 242, водная вытяжка из отходов: «вскрышные породы в смеси практически неопасные», образующиеся в результате производственной деятельности ООО «Телен», соответствует V (пятому) классу опасности. Тип пробы: объединенная. Место отбора проб: Таттинский (улус) район, с. Харбалах. Агрегатное состояние отхода: твердое.

В результате работ изучен ботанический состав участков до и после разработки месторождения. На четырех контрольных площадках размером 5х5 м выявлены флористический состав, количественное соотношение видов, их фенологическое состояние, структура сообществ (рис. 1).

Исследуемая площадка 1 располагается в 300 м на северо-восточной части карьера «Харбалахский». Из растительности преобладает лиственничное редколесье в основном вдоль технологической дороги. Травостой представлен овсяницей с примесью кипрея, полыни, видовое разнообразие весьма скудное. Растительность занимает до 60 % исследуемой площадки, средняя высота растительности составляет от 10 до 40 см.

Исследуемая площадка 2 располагается дальше первой и дислоцируется в 500 м выше нее, где имеется зона естественного произрастания лиственницы, кустарников в смеси с ивой, шиповником, под которыми произрастает брусника вперемежку с разнотравьем, лисохвостом и овсяницей. Рельеф местности бугристый с развитой системой технологических дорог, просек, площадка сильно обводнена. Растительность покрывает площадку до 65–70 %, имеющийся травостой достигает в высоту 20 см.

Площадка 3 представляет северо-восточную часть карьера, частично вырублена. На площадке имеется крутонаклонный высокий склон террасы, травостой весьма редкий и пребывает на начальной стадии сукцессионного процесса. Покрытие площадки растительностью такое же, как и площадки 2.

Площадка 4 располагается на восточной части карьера, напротив площадки 2. На площадке произрастает в основном полынь, бескильница, лапчатка, кипрей узколистный. Покрытие площадки растительностью составляет до 25 %, высота травостоя достигает 30 см.

Рис. 1. Площадки исследований растительности земель до и после разработки месторождения «Харбалахский»

Результаты исследований растительности отвалов показали, что их растительный покров находится в начальной стадии сукцессионного развития. На новых и высоких отвалах нет никакой растительности. Вследствие работы тяжелой техники на этой площадке для выравнивания верхушек отвалов (технологический этап рекультивации) наблюдается чрезмерное уплотнение грунта, препятствующее закреплению семян и росту растений.

Наблюдения за отвалами, выработанным пространством и технологическими дорогами позволили установить, что со времени их формирования устойчивой растительности не было. На старых отвалах 10-летней давности начался процесс зарастания полынью, скердой кровельной, лапчаткой, кипреем, бескильницей, которые занимают до 10–25 % исследуемых площадок.

Исследованиями установлено, что до начала разработки месторождения обнаружено 18 видов растений, в том числе багульник, толокнянка, брусника, береза, можжевельник, ель, сосна. Среди всех растений доминирует лиственница и брусника, встречаемость 100%.

На поверхности отвалов обнаружено 11 видов растительности, в том числе ива корзиночная, кипрей, полынь, одуванчик. Также имеются всходы красной смородины, шиповника, колокольчика круглолистного, бескильницы. Доминантом здесь является быстро прогрессирующий кипрей, благодаря способности распространяться с помощью ветров он распространяется на всю исследуемую площадку. Установлено, что через несколько лет вышеперечисленные виды травянистых растений вытесняются кустарниками и многолетниками. На этой площадке проективное покрытие достигает 5 баллов, а видовой состав увеличивается до 10 видов. Исследованиями установлены высокие показатели проективного покрытия на исследуемых участках 1 и 2 (табл. 5).

Установлено, что на поверхности старого отвала наблюдается медленное зарастание растительностью, так как здесь отсутствует плодородный почвенный слой для развития растительности.

Изучены отвалы карьера «Харбалахский». Отобраны два исследуемых участка и составлена карта: Отвал № 1 с площадью 992 м2 отсыпан горной породой в 2021 г. Поверхность отвала выровнена на 85 %, вторая часть состоит из крупно-глыбистых пород. Отвал № 2 с площадью 415 м2 отсыпан в 2015 г. форма отвала виде треугольника, имеется растительность (рис. 2).

Таблица 5

Показатели проективного покрытия и видов растений на нарушенных площадках разреза «Харбалахский»

Рис. 2. Карта изучаемых отвалов карьера «Харбалахский»

Осмотром отвалов установлено, что растительность на их поверхности уничтожена тяжелой карьерной техникой, а также технологическими дорогами. На откосах уступов произрастают редкие экземпляры ив, разнотравья.

Отмечается, что за последние 35 лет не проводилась биологическая рекультивация отсыпанной плодородной почвы. В1990-е гг. в старом карьере, что находится около 1 км юго-западной части от карьера «Харбалахский», высаживали картофель с отсыпкой плодородного слоя (чернозема). Поэтому способы и методы биологической рекультивации должны нести системный и поэтапный характер.

Для биологической рекультивации наотвалах разреза «Харбалахский» выбраны площадки по следующим показателям:

−расположение площадки вблизи разреза и пос. Харбалах (3 км), что удобно для выполнения наблюдений;

−доступность площадок для завоза оборудования и его размещения рядом с транспортной коммуникацией;

−отвалы должны быть полностью сформированные и устоявшиеся;

−небольшие габариты отвалов, с целью сокращения объемов для технологической рекультивации (средства на рекультивацию не предусмотрены);

−относительно спокойная поверхность отвала с оставлением площади с крупно-глыбистыми породами.

Для определения объема трансформированного месторождения выбраны два отвала карьера «Харбалахский»: 1– 2022 г., 2– 2015 г. Произведен расчет объемов отвалов, слагающих карьерное поле, соответственно, объемы отвалов составили: 1– 29760 м3, 2– 9130 м3. Таким образом, объем выработанного пространства двух отвалов составляет примерно 38890 м3.

Исследования показали, что на площадях территории карьера «Харбалахский» нарушено более половины общей площади имеющегося растительного покрова. В целях определения объема выработанного пространства карьера для повторного использования карьерного поля нами вместе с инженерами АО «Телен» произведены расчеты исходя из данных: общая площадь участка составляет 152000 м2, из них отработанная площадь составляет 112500 м2, объем горной массы 1992510 м3, вывезено на внешний отвал 239400 м3 на площади 39900 м2, остальной объем горной массы перемещен во внутренний отвал, объем которого составляет 522082,2 м3, в качестве чего можно использовать данное выработанное пространство.

Таким образом, освоение месторождения «Харбалахский» можно рассмотреть в два этапа: извлечение угля и использование после биологической рекультивации. Последнее возможно при сохранении, восстановлении, обеспечении функционирования экосистемы в целом с последующим рациональным использованием всех компонентов биосферы в интересах народного хозяйства.

Заключение

В результате предстоящего завершения отработки карьерного поля каменноугольного месторождения «Харбалахский» и запланированными рекультивационными работами весь процесс освоения месторождения можно разбить на два этапа: извлечение полезного ископаемого и восстановление. Дальнейшее его использование для народного хозяйства определяется понятием трансформированного месторождения после биологической рекультивации нарушенных земель. Выполненные с этой целью исследования перспективности рекультивационных работ позволили сделать следующие выводы:

1.На первом этапе освоения месторождения «Харбалахский» нарушено более 60 % земельного отвода, из которых отвалы вскрыши занимают около 15 %, собственно карьерное поле составляет 5 %, технологические площадки и автомобильные дороги– 15 %.

2.Отвалы вскрышных пород представлены небольшим биологически активным растительным слоем, песчаником и легкими суглинками вперемешку с песчано-гравийной смесью, на которых зафиксирована начальная стадия зарастания выработанного пространства, отвалов и технологических площадок. Выявлена возможность ускорения процесса путем проведения биологической рекультивации.

3.Выработаны рекомендации по использованию трансформированного месторождения в народном хозяйстве: создание лесных насаждений, обустройство водоемов различного назначения, нанесение биомата, навоза и др.