Способ горнотехнической рекультивации противоэрозионных отвалов высокой экологической емкости



Способ горнотехнической рекультивации противоэрозионных отвалов высокой экологической емкости

 


Владельцы патента RU 2615533:

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук" (КНЦ СО РАН) (RU)

Изобретение относится к горной промышленности с открытой разработкой месторождений и образованием отвалов, требующих рекультивации. Техническим результатом является создание универсального способа горнотехнической рекультивации противоэрозионных отвалов. Способ включает отсыпку верхнего слоя отвала потенциально плодородными грунтами и формирование западинно-бугристой ячеистой структуры, обеспечивающей разнообразие механического состава почвогрунтов и режима увлажнения, определяющих успешное естественное зарастание растительностью с различными экологическими требованиями, и исключающей поверхностный сток осадков, причем количество выемок, обеспечивающих максимальный сбор поверхностного стока, рассчитывается по математической формуле.

 

Изобретение относится к горной промышленности с открытой разработкой месторождений и образованием отвалов, требующих рекультивации для создания посттехногенных ландшафтов высокой экологической емкости.

Актуальность разработки.

Формирование продуктивных отвалов горных пород - одна из приоритетных задач промышленной экологии [1, 7]. Цель рекультивации - восстановить прежнее состояние или создать новые условия, которые позволят естественным и искусственным путем обеспечить образование разнообразных продуктивных и хозяйственно важных биоценозов. В настоящее время основное внимание уделяется селектированию насыпаемых грунтов с разделением их на плодородные, потенциально плодородные и неплодородные [6, 9]. На следующем этапе встает вопрос выравнивания, нивелирования отвалов, чтобы исключить вначале плоскостную, а затем и линейную эрозию. С учетом труднопрогнозируемой просадки насыпных грунтов выровнять отвалы, чтобы исключить поверхностный сток, практически невозможно, и требуется много затрат на горный этап рекультивации. Третья немаловажная проблема - обводнение поверхностного слоя отвалов для обеспечения роста растениям. Насыпные грунты не имеют природной скважности, водоупорных горизонтов и порозности, которые обеспечивают капиллярное снабжение влагой почвенного горизонта. Техногенные почвогрунты имеют провальное водоснабжение и могут удерживать только поверхностный сток за счет своей влагоемкости и конденсации воздушной влаги.

Известный способ RU №2359127 C2 «Способ формирования и подготовки внешних отвалов и карьерных выемок для биологической рекультивации» предполагает валовую или селективную отсыпку вскрышных пород, устройство экранирующих слоев, грубую и чистовую планировку поверхности отвалов, выполаживание или террасирование откосов, покрытие техногенной поверхности плодородным слоем, предпосевную обработку, противоэрозийную организацию территории. Основной недостаток известного способа в большом объеме горных работ (экранирование, чистовая планировка, нанесение слоя почвы, предпосевная обработка) по подготовке поверхности отвалов для биологической рекультивации.

Отличие предлагаемого способа одним технологическим приемом решить три основные экологические проблемы рекультивации горных отвалов: селектирование, выравнивание и обводнение отсыпаемых грунтов.

Предлагаемый способ разработан на основании многолетних (7 лет), комплексных (почва, растительность, животные) экологических изучений на постоянных мониторинговых участках (13), разновозрастных (1, 10, 17, 22, 28-летних) и созданных разными технологиями (нерекультивированные, без и с нанесением плодородного слоя почвы) отвалов Бородинского угольного разреза [2-5, 8, 10]. Полученные результаты позволяют предложить экологическую технологию формирования отвалов горных пород с высоким разнообразием местообитаний, продуктивностью и одновременно устойчивых к воздействию эрозии. Снижение затрат обосновано сокращением требуемых в действующих нормативах этапов рекультивации: чистовой планировки; нанесения плодородного слоя почвы и его выравнивание; посев и полив многолетних трав.

Описание способа.

Основной принцип предлагаемого способа - создание мозаичной бугорчато-западинной структуры поверхности отвалов, обеспечивающей разнообразие условий произрастания. После грубого выравнивания верхнего потенциально плодородного слоя грунта отвалов вместо их дальнейшей чистовой планировки бульдозером проводится формирование ячеистой площадной или линейно-штриховой структуры на склонах западинных элементов микрорельефа. Объем и количество выемок должны обеспечивать сбор всего максимального весеннего и летнего поверхностных стоков. Расчет емкости западин проводится по данным ближайшей метеостанции за последние 10 лет: режим выпадения жидких осадков в теплый период года (суточные данные по сумме осадков, их интенсивность по продолжительности дождей); сумма твердых осадков (запасы воды в снеге); интенсивность снеготаяния по сумме положительных температур за период схода снега.

, где

N - количество выемок, шт./га;

Qsn - максимальный объем талых вод (sn) и максимальный объем ливневых осадков (rn), м3/га в сутки;

Wsl - влагоемкость почвогрунтов, м3/га;

Vn - объем одной выемки, м3.

Пример.

При максимальном объеме талых вод и возможного поверхностного стока 200 м3/га, ливневых осадков - 300 м3/га, влагоемкости почвогрунтов 40%, в 50 см горизонте удержится 200 м3/га, и размере одной выемки 4 м3 получаем:

На одну выемку приходится 133 м2 отвала при размещении по квадратной схеме 12×12 м.

Непосредственно на отвалах проводится корректировка запасов снега путем традиционных приемов снегосъемки (высота снежного покрова и его плотность) с учетом орографических условий и метелевого переноса.

В ячеистых структурах в первые 2-3 года в результате интенсивной, локальной, поверхностной эрозий происходит естественная селекция горных пород, оставляя на выпуклых поверхностях более легкий, каменистый грунт, а в днищах западин - глинистый. В результате разности механического состава грунтов и режима увлажнения формируется эдафическое разнообразие. Перехват атмосферных осадков на отвалах и их перевод в грунтовый сток ускоряет процесс организации водоносных и водоупорных горизонтов.

Технические и проектные условия реализации разработки.

Размер и форма улавливающих воду западин зависит от технологии и технических средств, используемых на первом этапе выравнивания отвалов после их отсыпки. Отсыпка железнодорожным транспортом и выравнивание бульдозером требует последующей планировки отвала для размещения западин и их выкапывание бульдозером. Экскаваторная отсыпка сразу создает бугорчато-западинную поверхность, уклон и протяженность откосов которой необходимо привести в состояние, исключающее длительную и интенсивную поверхностную эрозию. В этом варианте стоит обратная задача сглаживания отсыпанных конусов с сохранением понижений, не требующая предварительного пикетирования технологических западин для перехвата и накопления воды, а также метеообоснования и физической характеристики грунтов.

Влагоемкость грунтов определяется по справочной литературе в зависимости от гранулометрического состава (песок, супесь, суглинок и пр.) с обязательным уточнением в эксперименте. Для этого с поверхности отвала берется монолит (куб) грунта (лучше в сетчатом каркасе) не менее 20×20×20 см, высушивается до воздушно-сухого состояния и взвешивается. Затем монолит опускается в воду, вытаскивается и после прекращения с него стока воды - взвешивается. Разница последнего взвешивания и первого дают объем капиллярной воды, который способен удерживать грунт. Учитывая достаточно высокую мозаику физических свойств отсыпаемых грунтов, первоначально такие замеры необходимо выполнить по одному на гектар. При невысокой изменчивости полученных показателей количество замеров следует сократить.

Область применения.

Горные отвалы различного происхождения (дражные и гидромеханические полигоны по добычи золота, отвалы горных карьеров, откосы строительных сооружений и пр.), срока давности и географического расположения, рекультивируемые под лесозаращивание и рекреационное использование.

Результаты улучшений: текущие и ожидаемые. На этапе горной рекультивации основным индикатором улучшения служит сокращение затрат на планировку отвала и селективную отсыпку почвогрунтов. В каждом конкретном случае экономическая эффективность рассчитывается по технологическим картам рабочего проекта рекультивации аналогового и предлагаемого способа. На первой стадии просадки и стабилизации грунтов индикатором служит общая площадь плоскостной эрозии отвала и размер отдельных участков смывания грунта. На второй стадии естественного зарастания сравнение проводится по проективному покрытию растительности, видовому разнообразию и фитомассе, а также микробиологическим показателям почвы, видовому разнообразию и плотности населения животных.

Предлагаемая схема размещения выемок способствует естественному зарастанию травянистой растительностью, лесовозобновлению и одновременно не препятствует традиционному проведению механической посадки лесных культур.

Ожидается, что в течение 10-15 лет перепады высот бульдозерных выемок 1-2 м морфологически значительно сгладятся, но разность почвогрунтов по гранулометрическому составу и влагоемкости будет сохраняться долгое время, обеспечивая разнообразие почвенных условий, растительности и животного населения. Экскаваторная мелкобугристая отсыпка должна сохранять мозаичный мезорельеф длительное время.

Экономическая эффективность определяется конкретно для каждого предприятия, при этом она оценивается по исключению определенных технологических приемов, которые требуются по действующим нормативам. На этапе горной рекультивации исключается чистовая планировка отвалов и нанесение плодородного слоя почвы с его выравниванием. На биологическом этапе возможность отказа от посева травянистых растений и создания лесных культур. По экспертной оценке применение разработанного способа на 30% удешевляет проведение рекультивационных работ. Технологическая новизна и положительный экологический эффект при меньших затратах соответствует требованиям к инновационным разработкам.

Апробация способа и оценка экологических последствий проведена при рекультивации полигонов после добычи золота в Красноярском крае и на Бородинском угольном разрезе «СУЭК-Красноярск».

Литература

1. Андроханов В.А., Овсянникова С.В., Курачев В.М. Техноземы: свойства, режимы функционирование. Новосибирск: Наука. Сибирская издательская фирма РАН, 2000. 200 с.

2. Богородская А.В., Шишикин А.С. Экспериментальная микробиологическая рекультивация отвалов Бородинского угольного разреза. Вестник КрасГАУ. 2012. №5. С. 224-228.

3. Богородская А.В., Трефилова О.В., Шишикин А.С. Процессы первичного почвообразования в техногенных экосистемах на отвалах Бородинского буроугольного месторождения (восточная часть КАТЭК) // Вестник Томского гос. ун-та. 2014. №382. С. 214-220.

4. Гродницкая И.Д., Трефилова О.В., Шишикин А.С. Агрохимические и микробиологические свойства техногенных почв отвалов (Канско-Рыбинская котловина) // Почвоведение. 2010. №7. С. 867-878.

5. Ефимов Д.Ю., Шишикин А.С. Растительный покров рекультивированных отвалов угольных разрезов Канской лесостепи // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2014. Т. 16, №5 С. 190-195.

6. Зеньков И.В. Горнотехническая рекультивация земель на разрезах Канско-Ачинского угольного бассейна. Изд-во: Сибирский федеральный ун-т. - Красноярск, 2011. 439 с.

7. Манаков Ю.А. Экологические особенности восстановления растительного покрова в техногенных ландшафтах Кузбасса // Диссертационная работа на соискание ученой степени доктора биологических наук. 2012, 372 с.

8. Трефилова О.В. Гродницкая И.Д., Ефимов Д.Ю. Динамика эколого-функциональных параметров реплантоземов на отвалах угольных разрезов Центральной Сибири // Почвоведение. 2014. №1. С. 109-119.

9. Шорохов В.П. Стратегические аспекты решения проблем рекультивации нарушенных земель на угольных разрезах ОАО «СУЭК-Красноярск» // М.: Уголь, 2013, С. 70-72.

10. Итоговый отчет по НИР: «Проведение мониторинга почвенного покрова, растительности и животного населения в районе отработки Бородинского буроугольного месторождения». Институт леса им. В.Н. Сукачева. Красноярск. 2011. 90 с.

Способ горнотехнической рекультивации противоэрозионных отвалов, включающий отсыпку верхнего слоя отвала потенциально плодородными грунтами и формирование западинно-бугристой ячеистой структуры, обеспечивающей разнообразие механического состава почвогрунтов и режима увлажнения, определяющих успешное естественное зарастание растительностью с различными экологическими требованиями, и исключающей поверхностный сток осадков, отличающийся тем, что формирует западинно-бугристую ячеистую структуру, причем количество выемок, обеспечивающих максимальный сбор поверхностного стока, рассчитывается по формуле:

, где

N - количество выемок, шт./га;

Qsn - максимальный объем талых вод (sn) и максимальный объем ливневых осадков (rn), м3/га в сутки;

Wsl - влагоемкость почвогрунтов, м3/га;

Vn - объем одной выемки, м3.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к технической рекультивации карьерных выемок, остающихся после добычи строительного камня и других приповерхностных полезных ископаемых. Техническим результатом является снижение трудозатрат восстановительных работ, а также защита почвы от ветровой и водной эрозии.
Изобретение относится к технической рекультивации карьерных выемок, остающихся после добычи строительного камня и других приповерхностных полезных ископаемых. Техническим результатом является снижение трудозатрат восстановительных работ.
Изобретение относится к области экологической безопасности горно-рудной промышленности и охраны горных ландшафтов от химического загрязнения, поступающего с поверхностными и подземными водными потоками со стороны хвостохранилища.

Изобретение относится к горным работам и может быть использовано при разработке и рекультивации неглубоких карьеров, преимущественно с небольшой мощностью вскрышных пород, в том числе при добыче строительного камня.

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано на калийных предприятиях для рекультивации откосов солеотвалов. Техническим результатом является снижение трудоемкости и стоимости выполняемых работ по рекультивации откосов солеотвалов и повышение их производительности.

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при открытой разработке месторождений полезных ископаемых. Техническим результатом является снижение экологического ущерба при открытой технологии добычи полезных ископаемых, совмещение работ по рекультивации нарушенных земель с горными работами и сокращение сроков рекультивации.

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при открытой разработке месторождений и в других отраслях, где необходимы большие объемы восстановления нарушенных земель.

Изобретение относится к гидротехническому строительству и может быть применено при складировании зернистых отходов. Техническим результатом является повышение надежности способа складирования зернистых отходов.

Изобретение относится к области рекультивации шламовых амбаров, производства искусственных грунтовых смесей на основе бурового шлама и может быть использовано в горной и нефтедобывающей отраслях промышленности.

Изобретение относится к области охраны окружающей среды. Материал для рекультивации полигонов твердых бытовых отходов и карьеров содержит природный грунт и промышленные отходы.
Изобретение относится к области сельского хозяйства. Способ заключается в обработке почвы, посадке клубней, проведении междурядных обработок и уборке.
Изобретение относится к области сельского хозяйства. Способ включает обработку семян.
Изобретение относится к области сельского хозяйства. Способ предусматривает использование многопольного севооборота с основной и предпосевной обработкой почвы, питание и защиту растений.

Изобретение относится к области сельского хозяйства, в частности к способам обработки почвы. Способ включает полосное рыхление почвы.

Изобретение относится к области сельского хозяйства. Способ включает предпосевную обработку почвы, посев и междурядные обработки.
Изобретение относится к способам биологической рекультивации мест несанкционированного и санкционированного хранения бытовых отходов, а именно может быть использовано для восстановления экологии нарушенных земель, в том числе для озеленения.
Изобретение относится к области экологической безопасности горно-рудной промышленности и охраны горных ландшафтов от химического загрязнения, поступающего с поверхностными и подземными водными потоками со стороны хвостохранилища.

Изобретение относится к области сельского хозяйства, в частности к освоению бесплодных солончаковых почв под продуктивные кормовые угодья. Способ включает создание на поверхности почвы искусственных препятствий для задержания постоянно перемещающихся по поверхности почвы илисто-песчаных фракций с содержащимися в них семенами пастбищных фитоценозов, которые, прорастая при выпадении осадков, закрепляют своими корнями эти фракции и в течение 1-2 лет образуют на поверхности солончака заросшие первоначально эфемерами, а в последующем разнотравьем и солянками пастбищные фитоценозы.
Изобретение относится к области сельского хозяйства. Способ включает уборку предшественника, лущение стерни и измельчение пожнивных остатков предшественника, внесение удобрений перед основной обработкой почвы, вспашку с оборотом пласта, покровное боронование для выравнивания рельефа поля и подавления холодостойких сорняков, две культивации, подготовку семян к посеву, посев, уход за посевами.

Изобретение относится к области сельскохозяйственного машиностроения, в частности к способу и устройству беспахотного содержания залуженных междурядий плодовых культур и образованию гряд с мульчирующим слоем.
Наверх