Техногенные процессы на объектах горного производства

По мере роста промышленности возрастает потребность в добыче минерального сырья. Для добычи потребного количества черных и цветных металлов в 30 млрд т необходимо извлечь 150 млрд т руды и переместить около

450 млрд т породы. А на долю предприятий топливно-энергетического комплекса России, при использовании нефти, газа, угля, горючих сланцев, торфа и урана, приходится 50% вредных выбросов в воздушный бассейн от суммарного их объема, до 35% объема сточных вод и около 30% твердых отходов.

Такие темпы роста и масштабы добычи поражают и пугают своими последствиями для экологии биосферы. Вместе с тем, как математически доказал лауреат Нобелевской премии Илья Пригожин (Пригожим И. Р. Философия нестабильности // Вопросы философии. 1991. № 6. С. 46—57), у природы есть своя «свобода выбора», которая проявляется в точке бифуркации (точка «раздвоения» траектории жизни системы, в которой нельзя точно спрогнозировать, какую именно траекторию она выберет в ближайшем будущем), и поэтому у сложных природных систем будущее столь же непредсказуемо, как и у систем исторических, общественных. А так как свобода выбора связана с творчеством, то можно сказать, что природа в состоянии творить.

Согласно второму закону термодинамики, предоставленная самой себе замкнутая термодинамическая система (например, геологическая среда, нарушенная горными работами) будет стремиться от порядка и устойчивости к хаосу и разрушению, причем процесс этот необратим, направлен «по стреле времени», и система беспрестанно эволюционирует от порядка к хаосу с ростом беспорядка (энтропии). Но для открытых нелинейных систем (изучаемых наукой синергетикой) этот закон теряет свою силу, и локализован- ные, быстро развивающиеся новые структуры («острова устойчивости») как раз и существуют за счет возрастающей хаотизации среды и развития в ней энтропии. Именно так из простого возникает сложное, что доказывает биологическая, социальная эволюция, а также эволюция минералов. Таким образом, естественное стремление системы к хаосу вовсе нс ведет к утрате гармонии. И. Р. Пригожину удалось доказать, что хаос может быть конструктивен — он порождает новый порядок, и среда, распадаясь на дискрет- ные структуры, самоорганизуется и останавливает разрушительное действие диффузионных процессов. При этом существует некая предопределенность, несущая своеобразные правила запрета и ограничения на способы существования природных объектов.

Отсюда следует вывод: человек, зная механизмы самоорганизации геологической среды, нарушенной горными работами, может сознательно ввести в среду соответствующую флюктуацию (случайное отклонение от среднего значения), т.е. «уколоть» среду в нужных местах и тем самым направить се движение в нужную сторону. Но направить, опять же, не куда угодно, а в соответствии с потенциальными возможностями самой среды. Итак, свобода выбора у природных объектов есть, но сам выбор ограничен возможностями объекта, поскольку он не пассивен, а обладает собственной «свободой процесса самосборки». И материя — вовсе не пассивная субстанция (по устаревшей механистической картине мира), ей свойственна спонтанная активность.

Снизить негативное воздействие человека на природу в горном деле может переход от открытых систем производства к закрытым системам.

Открытая система производства представляет собой карьер, рудник или шахту с обогатительной фабрикой и гидрометаллургическим заводом. Все они загрязняют воздух, вызывая кислотные дожди, гибель флоры и фауны, легочные заболевания у людей, потребляют огромное количество дефицитной пресной воды (например, для производства 1 т стали требуется 295 м³ воды, меди — 5000, алюминия — 1500, резины — 2400, пластмассы — 3000, капрона — 5000 м³ воды на 1 тонну), складируют на больших площадях породу, твердые и жидкие хвосты обогащения.

Система отличается крайне низким выходом готовой продукции на единицу использованных минеральных ресурсов и огромными площадями изувеченной природы. Состояние технологий очистки не позволяет надеяться на самоочищение и разбавление отходов в водных и воздушных бассейнах. Выход — в переходе к полуоткрытым и закрытым системам производства.

Полуоткрытая система производства предусматривает избирательное использование отходов, организацию частичного оборота воды в замкнутом контуре, попутное извлечение некоторых ценных компонентов из минерального сырья.

Более полная очистка дорогими комплексами вредных выбросов в воздух и воду возвращает отходы на повторное извлечение из них полезных веществ, а внедрению этих комплексов весьма способствуют жесткие законы об установлении штрафов за выбросы (в США, например, за каждый килограмм выброшенной в атмосферу серы штраф составляет в различных штатах от 2 до 20 центов).

Закрытая система производства основана на:

• а) комплексной переработке минерального сырья во множество полезных продуктов, суммарный вес которых иногда выше веса изначального сырья за счет использования реагентов и вспомогательных материалов;
• б) извлечении ценных компонентов из твердых, жидких и газообразных отходов и выбросов;
• в) утилизации пустых пород в удобрения и строительные материалы (кирпич, черепица, керамическая плитка, пигментные красители и т.д.);
• г) замене подземной и открытой добычи руды, ее переработки на обогатительной фабрике на прямую переработку сырья подземным и кучным выщелачиванием, в том числе используя биологическое, электрохимическое и сорбционное выщелачивание.

Итак, пути преодоления экологического кризиса и существенного улучшения экологической обстановки заключаются в следующем:

• — отказ от использования производств с экологически вредными техногенными воздействиями на среду (выбросы газов, сбросы загрязненной воды и растворов, накапливание отходов);
• — переход на технологии и процессы, предусматривающие малоотходные технологии и нейтрализацию вредных технологических воздействий на самом производстве;
• — создание центров по переработке, обезвреживанию уже накопленных отходов и их захоронению.

Качество природной среды и состояние природных ресурсов в общем случае оценивается по следующим факторам:

• — атмосферный воздух, озоновый слой;
• — поверхностные, подземные и морские воды;
• — почвы и земельные ресурсы;
• — использование полезных ископаемых и охрана недр;
• — леса и растительный мир;
• — животный мир и рыбные ресурсы;
• — радиационная обстановка;
• — климатические особенности, стихийные и природные явления;
• — влияние загрязнения окружающей среды на состояние здоровья населения (табл. 4.1).

Таблица 4.1

Классы опасности химических элементов в природных

средах [45]

Горнодобывающая промышленность оказывает на природу наиболее сильное воздействие.

Горные работы, связанные с добычей полезных ископаемых, подземным строительством и эксплуатацией подземных сооружений, приводят к образованию и длительному существованию свободного подземного пространства, влияние которого на окружающую среду трудно переоценить. Загрязнение окружающей среды происходит на всех стадиях производственного цикла: геологической разведки, добыче полезных ископаемых, переработке руд, ликвидации отходов технологического передела, эксплуатации подземных промышленных объектов. При этом загрязняющие продукты можно разделить по следующим группам (табл. 4.2):

• 1) по выбросам горных предприятий (воздействующих на поверхность земли, леса, воды, атмосферу, недра, социальную среду);
• 2) по фазовому составу выбросов (жидкие, твердые, газообразные);
• 3) по физическим свойствам (механические, тепловые, радиационные, акустические и др.);
• 4) по степени воздействия (агрессивные и неагрессивные);
• 5) по свойствам суммации (способность к вступлению в химические реакции с элементами природной среды, в том числе с образованием новых загрязняющих веществ);
• 6) по свойствам накопления (или не накопления) в природных средах.

Таблица 4.2

Структура основных загрязнений окружающей среды в зоне действия горных предприятий (по М. А. Ревазову)

Наиболее распространенными изменениями природной среды являются:

— изменения ландшафта урбанизированных территорий, сельскохозяйственных и горнодобывающих районов, деформирование поверхности Земли в результате откачки вод, добычи жидких, газообразных и твердых полезных ископаемых, подработки территории подземными сооружениями;

• — подъем уровня грунтовых вод и подтопление территорий при строительстве водохранилищ, орошении земель, при добыче, например, угля, при планировке территории с изменением естественных водоразделов и несущей способности грунтов;
• — изменение гидродинамического режима, загрязнение подземных и поверхностных вод в результате водозабора, перераспределения стоков, сброса жидких отходов;
• — активизация деформационных процессов (оползни, сели), эрозия почвы, повышение сейсмичности территорий;
• — изменение напряженно-деформированного состояния и температурного поля массива горных пород.

В целом эти изменения могут привести к необратимым изменениям естественного геологического, гидрогеологического, геомеханического, теплового, геохимического, радиационного и биологического равновесия.

Если раньше охрана окружающей среды предполагала разработку и реализацию мероприятий только защитного характера, то теперь уровень развития производства требует расширения этого понятия с включением в него и планового управления природными ресурсами. Результаты воздействия горного производства на окружающую среду приведены в табл. 4.3.

Таблица 4.3

Воздействие горного производства на окружающую среду

Окончание табл. 43

Важнейшей стороной проблемы взаимодействия горного производства с окружающей средой в современных условиях является все более усиливающаяся обратная связь, т.е. влияние условий окружающей среды на выбор решений при проектировании, строительстве горных предприятий и их эксплуатации: способ осушения месторождения, вид рекультивации, способ отбойки руды, размещение внешних отвалов и т.п. (табл. 4.4).

Наиболее полное использование минеральных ресурсов означает следующее.

• 1. В сфере производства минерального сырья — комплексное освоение сырьевых регионов, оптимизация плановых потерь при добыче и переработке, использование содержащихся в сырье основных полезных компонентов, утилизация вмещающих пород и отходов производства, пересмотр кондиций и вовлечение в эксплуатацию забалансовой руды на основе новых технологических решений, например, методами физико-химической геотехнологии.
• 2. В сфере потребления минерального сырья — снижение расхода и потерь сырья за счет применения более совершенных технологий, использования вторичного сырья и отходов, замена минерального сырья искусственными материалами и т.д.

Таблица 4.4

Мероприятия но рациональному использованию минеральных ресурсов и охране недр [25]

Окончание табл. 4.4

К известным мероприятиям по рациональному использованию минеральных ресурсов (см. табл. 4.4) можно добавить мероприятия по геомеханическому обеспечению устойчивости горных выработок, снижению опорного горного давления, сдвижений пород, разгрузке вывало- и удароопасных участков массива, приведению неоднородных дифференцированных участков и зон массива в равноустойчивое состояние. К этим мероприятиям относятся и способы поддержания очистного пространства:

• 1) естественное поддержание рудными и породными целиками (предохранительные целики капитальных выработок, межэтажные, межкамерные и барьерные целики);
• 2) искусственное поддержание:
  • — крепью (распорная, костровая, рамная, станковая);
  • — магазинированием рудной массы;
  • — закладкой (сухая, гидравлическая, твердеющая);
  • — принудительным обрушением налегающих пород.

Негативные последствия угледобывающего производства приведены на рис. 4.2, а структура горнодобывающих и перерабатывающих комплексов приведена на рис. 4.3.

Рис. 4.2. Негативные последствия угледобывающего производства

Рис. 4.3. Структура горнодобывающих и перерабатывающих комплексов

Окончание рис. 43