Обоснование способов использования отходов камнепиления известняков-ракушечников для рекультивации нарушенных земель

Размещено на http://allbest.ru

Размещено на http://allbest.ru

На правах рукописи

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Обоснование способов использования отходов камнепиления известняков-ракушечников для рекультивации нарушенных земель

Специальность 06.01.02 - Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Муталибова Гавахират Кадировна

Москва 2007

Работа выполнена в Московском государственном университете природообустройства

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент, Федор Михайлович Зимин.

Официальные оппоненты:

доктор сельскохозяйственных наук, профессор, Белобров Виталий Петрович.

кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Валерий Михайлович Яшин.

Ведущая организация - Министерство сельского хозяйства Республики Дагестан

Защита состоится 22 мая 2007 г. в « 15⁰⁰ » часов на заседании диссертационного Совета Д. 220.045.01 в Московском государственном университете природообустройства по адресу: 127550, Москва, ул. Прянишникова, 19, аудитория 1/201. Факс 976-10-46

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета природообустройства.

Автореферат разослан 13 апреля 2007г.

Ученый секретарь

Диссертационного Совета к.т.н. Т. И. Сурикова

Общая характеристика диссертационной работы

Актуальность проблемы. Строительство является одним из мощных антропогенных факторов воздействия на окружающую среду. По объему твердых отходов в виде разрабатываемых грунтов, а также образующихся отходов и остатков стройматериалов, строительство занимает приоритетное место среди загрязнителей окружающей среды. Антропогенное воздействие строительства разнообразно по своему характеру и происходит на всех этапах строительной деятельности - начиная от добычи строительных материалов и кончая утилизацией строительных отходов от сноса зданий и сооружений.

Строительное производство потребляет большое количество камня, щебня, песка, глины, извести, и других ископаемых сырьевых ресурсов, извлекаемых из недр открытым способом (из 7,2 тыс. карьеров в нашей стране 90 % приходится на строительные карьеры). Предприятия промышленности строительных материалов добывают свыше 20 видов полезных ископаемых, занимая ежегодно 15 тыс. га земли.

При открытой добыче разрушаются и уничтожаются почвенный и растительный покровы, изменяется водный режим, загрязняются воздух вода и почва (особенно при буровзрывных работах); уходят с территории животные и птицы исключаются из сельскохозяйственного производства большие площади земли, используемые непосредственно под карьеры, подъездные пути к ним и под отвалы вскрышной породы. Крупные карьеры минерального строительного сырья уничтожают почвы на значительных площадях и вызывают эффект гидрогеологической депрессионной воронки, в результате чего понижается уровень подземных вод на территориях в 10 - 15 раз превышающих площадь открытых разработок.

Подобными карьерами являются карьеры горных пористых пород, которые на территории бывшего СССР определены с общими балансовыми запасами более 14 млрд. м³. Около половины запасов приходится на долю карбонатных пород. Эти месторождения, как правило, удобны для открытых разработок и расположены вблизи населенных мест. Большинство пористых известняков и известняков-ракушечников имеют третичный возраст. Общим для всех пород являются: пористая структура, наличие связующего между зернами, значительная кристаллизация материала и сравнительно однородный химический состав.

Пористые известняки и известняки-ракушечники располагаются в основном в районах Северного Кавказа, Закавказья. В Ростовской области зарегистрировано более 100 месторождений известняков-ракушечников, в Дагестане более 30, несколько крупных месторождений имеется в Краснодарском и Ставропольских краях, Астраханской области и в Калмыкии.

Балансовые запасы карбонатных пород: Северо-Кавказский район 49 месторождений - 279 млн. м³; Дагестан - около 30 крупных месторождений. Запасы только одного месторождения (Дагестан - Таркитаусское месторождение) составляют 50 миллионов метров кубических (115 миллион тонн), плотность 2 - 2,6 т /м³, прочность при сжатии 3,8 - 40 МПа.

На базе этих месторождений в карьерах ведется добыча пильного стенового камня. При этом образуется около 40-50 % отходов в виде бута, щебня, песка и тонких пылевидных материалов с высоким содержанием СаСО₃. Анализ накопленного опыта использования отходов камнепиления показывает, что эти отходы могут использоваться в качестве заполнителей в легких бетонах, тонкие фракции в сельском хозяйстве для известкования кислых почв и для рекультивации загрязненных земель.

Площадь территории, занимаемой функционирующими на данный момент карьерами, составляет около 300 га земли, под заброшенными карьерами находится еще 100 га земли, не считая площади земель занятых отходами производства пиленого камня и породами вскрыши. Итого в ближайшем будущем подлежат рекультивации 33 карьера на территории 400 га. С учетом земель занятых отходами камнедобычи и породами вскрыши территория, нуждающаяся в проведении рекультивационных работ, составляет порядка 800 га.

Народнохозяйственное значение рекультивации выработанных карьеров пористых горных пород определяется возвратом обустроенных и восстановленных с учетом целевого использования карьерных выемок, рекультивированных захламленных, загрязненных и временно занимаемых земель, использованием отходов камнепиления в производстве строительных материалов, в сельском хозяйстве для регулирования кислотности почв и санации загрязненных земель. Вопросы использования отходов камнепиления известняков - ракушечников и рекультивации нарушенных при камнедобыче земель являются особенно актуальными для Дагестана, как горной республики с дефицитом плодородных земель, пригодных для сельскохозяйственного производства.

Все выше изложенное определяет актуальность данной работы, решающей вопросы комплексного подхода к ликвидации последствий добычи пористого стенового камня на основе рационального использования отходов для рекультивации нарушенных земель и снижения негативных воздействий на окружающую среду.

Цель диссертационной работы. Разработка способов использования отходов камнепиления известняков - ракушечников и способов рекультивации выработанных карьеров с целью снижения последствий антропогенной деятельности на территории Республики Дагестан.

Поставленная цель достигалась решением следующих задач:

1. Анализом международного и отечественного опыта в части изучения оптимальных технологических схем переработки и использования отходов камнепиления известняков -- ракушечников.

2. Изучением и исследованием закономерности состава и объемов образования отходов камнепиления известняков - ракушечников в карьерах Дагестана.

3. Обзором современной ландшафтно-географической характеристики территории Дагестана и изучением закономерностей изменения компонентов природной среды в результате добычи строительных материалов.

4. Разработкой способов использования отходов камнепиления известняков-ракушечников в целях повышения продуктивности и экологической безопасности сельскохозяйственных земель.

5.Разработкой способов рекультивации отвалов и карьерных выемок после выработки известняков - ракушечников.

6. Определением физико-механических характеристик отходов камнепиления. Обоснованием их пригодности для создания новых строительных материалов. Разработкой способов и технологий использования отходов камнепиления известняков-ракушечников в строительстве.

7. Эколого-экономическим обоснованием способов использования отходов камнепиления и рекультивации нарушенных земель при добыче известняков-ракушечников.

Научная новизна и практическая значимость работы. На основе анализа мирового опыта, экспериментальных данных и моделирования впервые разработаны и научно обоснованы способы использования отходов (отвалов) камнепиления горных пород в сельском хозяйстве и строительстве.

Практическое значение работы заключается в доказанной возможности и эффективности использования разработанных способов для технических решений экологических проблем возникающих при разработке месторождений известняков-ракушечников.

Изучены и исследованы закономерности состава и объемов образования отходов камнепиления известняков - ракушечников.

Исследован химический состав и изучены основные физико-механические свойства отходов камнепиления и заполнителей на их основе.

Обоснована возможность использования отходов камнепиления для улучшения свойств кислых и загрязненных почв.

Рассмотрены вопросы комплексной рекультивации карьерных выемок, отвалов и прилегающих территорий при добыче пильного стенового камня и даны критерии выбора основных направлений использования нарушенных земель.

Обоснована пригодность отходов для создания новых строительных материалов. Разработана методика проектирования состава легкого бетона на заполнителях из отходов известняков- ракушечников с учетом водопотребности, прочности и объемной концентрации заполнителей. Запроектированы составы и изучены свойства легких бетонов на основе пористых заполнителей.

Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность снижения средней плотности бетонов на заполнителях из известняков - ракушечников, используя отходы винной промышленности.

Определена эколого-экономическая эффективность переработки отходов камнепиления и рекультивации нарушенных земель при разработке месторождений известняков-ракушечников.

На основе исследований дано обоснование способов использования отходов камнепиления известняков - ракушечников в сельском хозяйстве и строительстве, определены варианты рекультивации отработанных карьеров.

Экологические вопросы, решаемые в диссертационной работе.

1. Уменьшение количества новых карьеров, путем комплексной переработки отходов на уже разрабатываемых карьерах, что ведет к снижению потребности в отводе земель под новые карьеры.

2. Освобождение рабочих путей каменных карьеров и огромных площадей из-под отвалов отходов камнепиления, сокращая тем самым, количество нарушенных земель.

3. Ускорение процессов рекультивации нарушенных земель и возвращение в хозяйственный оборот рекультивированных земель.

5. Повышение продуктивности и экологической безопасности кислых и загрязненных сельскохозяйственных земель, используя отходы камнепиления известняков-ракушечников.

6. Получение заполнителей для легких бетонов дроблением и рассевом отходов камнепиления известняков- ракушечников, и, тем самым, существенно снижая затраты на производство пористых заполнителей, легких бетонов и объемы их перевозок.

7. Обоснована эколого-экономическая целесообразность переработки отходов и рекультивации нарушенных земель при добыче пильного стенового камня, определена величина предотвращенного экологического ущерба в результате проведения природоохранных мероприятий на землях нарушенных камнедобычей.

Апробация полученных результатов. Основные материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на заседаниях кафедр: «Мелиорация, рекультивация и охраны земель» и «Сельскохозяйственного строительства и архитектуры», на научно- технических конференциях Московского государственного университета природообустройства (МГУП):

На конференции посвященной 100- летию гидроэнергетического строительства в России и 50-летию строительного факультета МГУП-Москва 1996 г.

На конференции «Современные проблемы водного хозяйства и природообустройства.» - Москва 1997г.

«Природообустройство и экологические проблемы водного хозяйства и мелиорации» - научно - техническая конференция, Москва 1999г.

Научно - техническая конференция « Природообустройство сельскохозяйственных территорий» - Москва 2001 г. МГУП.

Опубликованы статьи: «Переработка технологических отходов и рекультивация нарушенных земель при добыче пиленого камня» // «Естественные и технические науки» № 4 (18) 2005 г. Издательства «Компания Спутник +» - Москва.

«Обоснование способов использования отходов камнепиления известняков-ракушечников для улучшения свойств кислых и загрязненных земель» // «Мелиорация и водное хозяйство» № 2, 2007 г.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Обоснование использования отходов камнепиления для повышения продуктивности сельскохозяйственных земель и в рекультивации загрязненных тяжелыми металлами земель.

2. Виды нарушений и обоснование основных направлений использования нарушенных земель при разработке месторождений пористых горных пород.

3. Особенности расчета состава легкого бетона на пористых заполнителях с учетом их водопотребности, прочности зерен и объемной концентрации.

4. Возможность получения бетонов на известняковых пористых заполнителях, со средней плотностью р < 1400 кг \ м³ при помощи химических добавок.

5. Эколого-экономические аспекты переработки отходов камнепиления известняков-ракушечников, с последующей рекультивацией карьерных выемок, отвалов и прилегающих территорий.

Структура и объем диссертации: Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, общих выводов, приложения и списка использованной литературы. Работа изложена на 220 страницах машинописного текста, иллюстрирована 40 рисунками и 17 таблицами. Список литературы содержит 153 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследований, а также новизна полученных результатов. Показана сопряженность экологических и народно-хозяйственных проблем, возникающих при разработке месторождений известняков-ракушечников, а также практическая значимость диссертационных исследований. Первая глава диссертации посвящена анализу возможного использования отходов камнепиления известняков-ракушечников, направлениям использования выработанных карьеров и рекультивации выемок, отвалов и прилегающих территорий.

Установлены основные свойства известняков-ракушечников, с определением источников, видов и объемов образования отходов при их разработке.

Известняки-ракушечники Дагестана в зависимости от месторождения могут отличаться химико-минералогическим составом и физико-механическими свойствами. Они являются почти чистыми известняками с небольшим содержанием доломита и глин. Прочность при сжатии камня-ракушечника колеблется в пределах от 0,6 до 50 МПа, а пористость соответственно от 45 до 9%.

Коэффициент размягчения превышает 0,8, морозостойкость удовлетворительная, они выдерживают более 15 циклов замораживания и оттаивания. При разработке известняков-ракушечников получают пиленый камень, который используется как стеновой материал в виде камней, мелких и крупных блоков.

Однако в виду их незначительной прочности и малой трещиностойкости при механизированной разработке около 50 % всего объема превращается в технологические отходы в виде кусков неправильной формы крупностью от 40 до 250 мм и мелкозернистого песка. Отходы, образующиеся при камнедобыче известняков-ракушечников, занимают огромные площади под отвалы и на данный момент не перерабатываются и не используются.

На основании мирового опыта дан анализ состояния проблемы переработки отходов камнепиления. Приведены области возможного применения строительных материалов, получаемых при переработке отходов камнепиления пористых горных пород.

Отходы камнепиления известняков-ракушечников могут быть переработаны в природные пористые заполнители.

Область использования заполнителей из отходов камнепиления известняков-ракушечников может быть весьма обширна, она включает в себя не только бетонные и железобетонные конструкции, конструкционные автоклавные силикатные бетоны, армосиликатные изделия, кладочные растворы, асфальтобетон, их применяют в качестве балласта верхнего строения пути в транспортном строительстве.

Отходы камнепиления известняков-ракушечников могут быть использованы и для производства различных видов извести.

Указана возможность использования отходов камнепиления известняков-ракушечников для регулирования подвижности тяжелых металлов в почве и мелиорации кислых почв.

Приведены объемы образования отходов и площади нарушенных земель при разработке месторождений Дагестанских известняков-ракушечников. На данный момент отсутствует комплексный подход при рекультивации выработанных карьеров, отвалов и прилегающих территорий или происходит полный отказ от ее выполнения.

Рекультивацией этих нарушенных земель занимаются не своевременно и не на должном уровне. Основным направлением рекультивации выработанного пространства карьеров является в лучшем случае обратная их засыпка отходами камнепиления и породами вскрыши и по возможности частичная их раздача под индивидуальное жилищное строительство.

Даны основные требования к рекультивации нарушенных земель по направлениям их целевого использования. Рассмотрены возможные направления использования выработанных карьеров и рекультивации выемок, отвалов и прилегающих территорий.

Рекультивированные территории могут быть использованы в следующих направлениях: сельскохозяйственное, лесохозяйственное, водохозяйственное, рекреационное, природоохранное, санитарно - гигиеническое и строительное.

Нарушенные при разработке месторождений известняков-ракушечников земли после рекультивации могут быть использованы для выращивания овощей, ягод, под пашни, сенокосы, лесопосадки, а также и для других целей, например под спортивные и игровые площадки, парки, кемпинги, строительство.

Разработка месторождений известняков-ракушечников открытым способом приводит к нарушению земель и выводу из использования больших территорий, поэтому рекультивация отработанных карьеров и рациональное использование отходов камнепиления имеют важное народнохозяйственное и природоохранное значение.

Вторая глава диссертационной работы посвящена проблеме загрязнения окружающей среды в результате добычи известняков-ракушечников и возможности снижения антропогенной нагрузки на окружающую среду. Сделан анализ состояния экосистем с применением ландшафтного подхода для оценки изменчивости компонентов природной среды в результате добычи известняков-ракушечников.

Изучению воздействия антропогенной деятельности на компоненты природной среды посвящены работы отечественных и зарубежных авторов, среди которых особое место занимают исследования Айдарова И.П., Белоцерковского М.Ю., Беспамятного Г.П., Воронкова Н.А., Глазовской М.А., Голованова А.И., Гольдберга В.М., Израэля Ю.А., Манукьяна Д.А., Эдельштейна К.К. и ряд других работ, в которых рассматриваются вопросы снижения негативного воздействия загрязняющих веществ на окружающую среду.

Для оценки состояния экосистем представлен обзор ландшафтных и геологических условий территории Дагестана. Основное значение здесь уделяется анализу геологических условий, специфике ландшафтов, почв, растительности.

Изучено геологическое строение и рельеф территории. Климат Дагестана, несмотря на разнообразие, в целом можно отнести к умеренно теплому, в горах - умеренно холодный, с более или менее выраженной континентальностью, которая проявляется в значительных годовых амплитудах температуры на низменностях, в горах - в резких суточных колебаниях, а также в недостаточном увлажнении.

Основными реками Дагестана являются: Сулак, Самур, Терек, Уллучай, Чирагчай, Рубас, берущие начало в горных районах и впадающие в Каспийское море.

Для обоснования пригодности отходов камнепиления карбонатных пористых горных пород для улучшения свойств почв приведены генетические и агроэкологические характеристики почв Дагестана. Почвенный покров территории исследований обстоятельно изучен отечественными почвоведами и подробно освещен в диссертации.

При генетической и агроэкологической характеристике почв использовались фактические данные, содержащиеся в научной, почвенно-географической литературе (Зонн, 1940; Акимцев, 1947; Керимханов, 1965; Карманов, 1971; Баламирзоев, Истомина, 1975; Залибеков, 1995; Аджиев А.М., и др.)

Анализ почвенного покрова территории Дагестана показывает, что горно-луговые, горно-луговые дерновые и горные лугово-лесные почвы (Горная и Высокогорная провинция) имеют, кислую реакцию среды. А значит, при соответствующем эколого-экономическом обосновании отходы камнепиления известняков-ракушечников могут быть использованы в качестве известковых мелиорантов для повышения продуктивности и экологической безопасности этих почв.

Для оценки степени антропогенного воздействия камнедобычи пористых горных пород на геосистемы рассмотрено влияние открытых разработок известняков-ракушечников на компоненты окружающей среды. Разработка месторождений известняков-ракушечников представляет собой область трудовой деятельности людей с исключительно высокой степенью экологической ответственности.

Это обстоятельство обусловлено, прежде всего, тем, что строительные процессы вступают в непосредственный контакт со всеми компонентами природы, активно формируя в сравнительно короткие промежутки времени антропогенные ландшафты.

Для оценки техногенного воздействия на геосистему, за которыми наступают необратимые или нежелательные ее изменения, необходимо в каждом конкретном случае определять устойчивость геосистемы к техногенным нагрузкам.

Изменения компонентов окружающей среды при разработке месторождений известняков-ракушечников начинаются с уничтожения почвенного и растительного покровов на больших площадях, то есть меняется литогенная основа ландшафта и связанные с ним направления и скорости протекания биохимических процессов, происходит оскудение видового состава фауны и флоры.

Камнедобыча пористых горных пород открытым способом приводит к образованию техногенных механических трансформаций вызывающих наиболее глубокую деградацию почвенного профиля, вплоть до полного его уничтожения, создавая нарушенные ландшафты.

Они заключаются в частичном или полном срезании почвенного профиля, его перемешивании на месте, а также погребении почв минеральным материалом. При разработке известняков-ракушечников почвенный и растительный покровы на значительных площадях оказываются погребенными под отходами камнепиления. Этот материал имеет естественное происхождение и состоит из нейтральных, не токсичных веществ.

На рис.1 приведена схема возможного воздействия открытых разработок на компоненты природной среды.



Рис.1. Схема изменения компонентов окружающей среды в результате камнедобычи известняков-ракушечников.

Кроме того, отвалы пород вскрыши и отходов камнепиления обуславливают ухудшение качества грунтовых и поверхностных вод в результате смыва или выветривания загрязняющих веществ и пыли с их поверхности, меняются скорости и направления воздушных потоков, ослабевает регенерационный потенциал ландшафта, происходит изменение пейзажа.

По существу здесь имеет место не, сколько деградация почв, а замена их техногенными поверхностными образованиями, для которых актуальной проблемой становится их рекультивация.

Поэтому, исходя из существа проблемы и в соответствии с рисунком 1. при оценке влияния открытых разработок на окружающую среду в качестве изучаемой системы могут быть рассмотрены 3 блока, связанных между собой потоками вещества и энергии: 1- почва, растения и животные; 2- приземный слой атмосферы, климат; 3- грунтовые и поверхностные воды. Эта система описывается балансовыми уравнениями, отражающими законы сохранения вещества и энергии и в качестве критериев можно использовать изменение гидротермического коэффициента (радиационного индекса сухости), затрат солнечной энергии на почвообразование, объемов поверхностного и подземного стока, баланса химических веществ.

Открытые разработки месторождений известняков-ракушечников могут привести к необратимым изменениям в физических, химических, биологических свойствах почв (радиационного индекса сухости, затрат солнечной энергии на почвообразование, объемов поверхностного и подземного стока, баланса химического вещества), что приводит к деградации почвенного покрова. Различия, формирующиеся в свойствах почв, сопровождаются экологическими последствиями, изменяя химический состав продукции возделываемых культур и величины функционирующих площадей почв. рекультивация ракушечник карьер известняк

Рассмотрим изменения компонентов природной среды при камнедобыче известняков - ракушечников открытым способом на примере карьера расположенного в Дербентском районе. Карьер глубиной 45 м. расположен в пригороде Дербента.

Почвенный покров данного района представлен светло - каштановыми почвами мощностью 30….40 см. Уровень грунтовых вод расположен на глубине 2,5м. Площадь карьерной выемки составляет 10 га и отвалами отходов и пород вскрыши занято еще 15 га, итого, выведенными из хозяйственного оборота оказываются земли на площади более 25 га. То есть природный ландшафт заменяется природно-техногенным, среднекарьерно-отвалным ландшафтом.

Вскрыша состоит из плодородного слоя мощностью около 40 см, под ним залегают почвообразующие породы глинистого или тяжело-среднесуглинистого и супесчаного механического состава мощностью 60…70 см, на глубине еще 80..100 см прослеживается рыхлая толща породы с выделением гипса и легкорастворимых солей переходящая в низкопрочные известняки - ракушечники. Толщина слоя вскрыши составляет 3…. 3,5 м.

Исследование гидрогеологических условий показывает, что разработка месторождения приводит к изменению уровня грунтовых вод. Уровень грунтовых вод на близлежащей территории понижается, вода собирается на дне карьера, образуя обводненную карьерную выемку с высотой слоя воды на дне около 2,5…..3м.

Предполагаемый размер депрессионной воронки и осушаемой территории составляет порядка 100…150 га, так как размер депрессионной воронки может в 10 раз превышать размеры самих выемок. При разработке данного месторождения, в зоне влияния водопонижения не происходит изменение влажности почвенного покрова, так как влажность почвы в данном районе не связана с уровнем грунтовых вод, и грунтовые воды практически не оказывают влияния на ход почвообразовательного процесса.

Еще одним негативным фактором влияния разработки известняков - ракушечников на окружающую среду является загрязнение атмосферного воздуха. Так как отходы камнепиления представляют собой отвалы в виде бута и мелкого песка, с высоким содержанием пылевидной фракции происходит загрязнение атмосферного воздуха известковой пылью.

Процесс пылеобразования происходит также и при выполнении дробильно-сортировочных, погрузочно-разгрузочных и транспортных процессов. При выполнении этих процессов пылеобразование зависит от скорости перемещения при постоянной скорости ветра, высоты погрузки-разгрузки и дисперсного состава мелких частиц породы.

Экологическое обоснование размещения новых разработок известняков-ракушечников и оценка влияния существующих на атмосферу целесообразно выполнять исходя из фактора рассеивания в атмосферном воздухе и оседания загрязняющих веществ.

Доминирующими факторами при выборе участка для размещения дробильно-сортировочного оборудования или при оценке влияния разработок на атмосферу являются величины суммарного ПДВ (предельно допустимые выбросы) загрязняющих веществ от всех источников и размеры санитарно-защитной зоны (СЗЗ).

Размеры санитарно-защитной зоны (СЗЗ) l₀ (м), установленные в Санитарных нормах проектирования промышленных предприятий, должны проверяться расчетом загрязнения атмосферы в соответствии с требованиями ОНД - 86 “Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ содержащихся в выбросах предприятий” (Госкомгидромета.), с учетом перспективы развития предприятия и фактического загрязнения атмосферного воздуха.

Расчет размеров СЗЗ (L) для рассматриваемой карьерной разработки при восьмирумбовой розе ветров вычисляется по формуле: L = d Н Р_i (5-F)/50; где d-коэффициент, зависящий от f, v_м; Р_i - среднегодовая повторяемость ветра в i-м направлении, %. В расчетах принято: ПДК = 0,15 мг/м³, фоновая концентрация в зоне расположения разработки равна С_ф = 0, коэффициент, учитывающий рельеф местности з = 1, А = 200, F=1, величина ПДВ = 10,47 мг/м³. Зона максимального загрязнения окружающей среды с повышенным содержанием в воздухе пыли составляет СЗЗ (L) = 1718м, для северо-западного ветра СЗ со среднегодовой повторяемостью 79 %, при высоте Н =10м. Учитывая негативное воздействие пыли на почвенный покров, рост и развитие растений и расположение карьера с учетом розы ветров, можно говорить и о снижении продуктивности близлежащих плодородных земель.

При разработке месторождений известняков-ракушечников, особую актуальность приобретает задача снижения антропогенного воздействия на природный ландшафт и обеспечения необходимых предпосылок по сохранению экологического баланса в районе месторождения.

Третья глава диссертационной работы посвящена разработке способов использования отходов камнепиления известняков-ракушечников в целях повышения продуктивности и экологической безопасности сельскохозяйственных земель.

Наличие на территории Дагестана кислых и загрязненных тяжелыми металлами земель позволяет также судить и о возможности использования известкового материала получаемого при камнедобыче известняков - ракушечников для улучшения свойств этих почв.

Отходы камнепиления известняков-ракушечников, особенно тонкие фракции, могут быть использованы в качестве мелиоранта без дополнительной переработки для проведения химических мелиораций почв - для регулирования кислотности и подвижности тяжелых металлов в почвах.

По химическому составу отходы камнепиления пористых известняков - ракушечников Дагестанских карьеров в основном состоят из карбоната кальция и магния, содержание которых колеблется:

СаСО₃ от 73 до 94 %,

Мg СО₃ - 0,4 ….12 %.

Они являются практически чистыми карбонатами кальция и магния и не содержат в своем составе токсичных веществ, что предопределяет возможность их использования в качестве известкового материала.

Известковая мука, получаемая при переработке отходов камнепиления известняков-ракушечников, относится к первой группе по экологическим ограничениям на использование известковых материалов, материалы, применение которых разрешено без ограничений.

Имеющиеся запасы этого материала позволяют судить о возможности их промышленного использования для улучшения свойств почв. Только при разработке известняков - ракушечников в одном Дербентском районе может быть получено порядка 250000 м³ известкового материала.

Известковый материал может быть получен отсевом пылевидной фракции как из отходов камнепиления известняков - ракушечников так и из продуктов их переработки в заполнители для бетонов.

Почвы Республики Дагестан по кислотности характеризуются как кислые, нейтральные и слабощелочные, поэтому изменение кислотности в результате внесения в почву тонких продуктов камнепиления не только улучшит ее плодородие, но и обеспечит хорошее качество продукции растениеводство за счет снижения содержания подвижных форм тяжелых металлов в почве.

Площадь территории, на которой необходимо провести известкование равняется 1,5 млн. га, что составляет свыше 30 % от общей площади республики.

Физическая доза данного известнякового материала с учетом его влажности и крупности помола составляет Д_ф = 15,06 тонн/га. Для известкования всех почв имеющих кислую реакцию, необходимо Д_о = 22,59 миллион тонн данного известкового материала.

Как известно важным фактором, оказывающим влияние на соотношение подвижных и неподвижных форм металлов в почве, является кислотно-щелочные условия почвы.

Формализовать процесс поведения и превращения в различные соединения даже отдельного взятого металла очень сложно, поскольку этот процесс непрерывный и зависит от многих факторов, включая тип почвы, ее физические, химические и агрохимические свойства, биологическую, зоологическую (участие крупных животных) и микробиологическую активность, сезонность и повторяемости лет по климату и др.

Ввиду малой концентрации тяжелых металлов в почвенных растворах и большой емкости поглощения почвы А.И. Голованов рекомендует использовать линейное уравнение изотермы сорбции Генри:

; (1)

где C⁰ - равновесная концентрация металла в почвенном растворе;

- объемная влажность почвы;

S⁰ - равновесное, соответствующее

C⁰, количество металла, сорбированное почвой;

Г - безразмерная константа Генри;

= 1/Г - коэффициент изотермы сорбции.

Кинетика сорбции описывается уравнением (2).

R=C/Z=/(1+).

Параметром, определяющим поведение тяжелых металлов в почве, является достоверное знание коэффициента изотермы сорбции , т.к. по сути дела этот коэффициент объединяет все описанные выше процессы, формирующие соотношение между подвижной и связанной фракциями иона конкретного металла.

Содержание этого иона в единице объема почвы в равновесном состоянии равно

Z=C+S

или Z=(1+1/)C.

Коэффициент подвижности иона, т.е. отношение массы ионов в растворе к общему его содержанию в почве

Зная это соотношение в результате лабораторных анализов почв, можно приближенно оценить значение эффективного коэффициента изотермы сорбции:

; (2)

Изучение поведения тяжелых металлов в почве с помощью математической модели Голованова А.И. проводилось для кадмия и свинца, характеризующиеся как вещества первого класса опасности.

Для оценки влияния кислотности на подвижность указанных металлов, также как и Голованов А.И., использовались результаты опубликованных исследований (Айдаров И.П., Глазовская И.Г., Ильин В.Б., Ладонин Д.В.,) и данные, полученные в ходе проведения инженерно-экологических изысканий почв и грунтов при строительстве Лефортовских тоннелей и Братеевской набережной. После обобщения и статистической обработки данных были построены зависимости изменения коэффициента подвижности металлов от кислотности почвы, которые представлены на рис.2. и рис.3.

Согласно представленных графиков наибольшее поглощение почвой кадмия наблюдается при рН = 6.5 - 10.0, а свинца - рН = 6,0 - 9,5, поведение этих металлов в щелочной среде нами не выявлено из-за отсутствия данных. Однако даже представленные результаты позволяют сказать, что в указанных диапазонах кислотности свинец менее подвижен, чем кадмий, при чем коэффициент подвижности кадмия составляет около 0.08, а свинца около 0.05.

Для расчета коэффициента сорбции по зависимости (2.) были использованы данные связи коэффициента подвижности с кислотно-щелочными условиями почвы (рис.2. и рис. 3.). В результате выполненных расчетов на рис. 4. и рис. 5. представлены зависимости коэффициента сорбци от коэффициента подвижности тяжелых металлов в почве.

Анализ представленных графиков показывает, что они имеют схожую зависимость, т.е. коэффициент сорбции в пределах изменения коэффициента подвижности от значений близких к нулю до 0.5 не зависит от вида конкретного металла.

Представленные на рисунках 4. и 5. зависимости имеют большое значение при прогнозировании изменения содержания тяжелых металлов в почве на сельскохозяйственных и приусадебных землях. Зная исходные кислотно-щелочные условия и валовое содержание тяжелых металлов в почве (наиболее часто проводимое определение), можно, изменяя в ретроспективе кислотность почвы, получить характер передвижения подвижных форм в системе почва - растения и оценить качество получаемой продукции.

Для изучения динамики изменения содержания подвижных и валовых форм в почве в условиях Республики Дагестан были приняты буро-лесные остепненные почвы, имеющие реакцию от 4,5 до 5,5, а в качестве выращиваемой культуры - картофель, как одной из самых распространенных культур - индикаторов экологического состояния почв, продукта растениеводства.

Полученные выше зависимости были использованы в методике долгосрочного прогнозирования содержания тяжелых металлов в почве, которая совместно с автором этой методики - А.И. Головановым, впервые была специально модернизирована и настроена на определение динамики тяжелых металлов при разной почвенной кислотности в условиях продолжительного периода реальных климатических лет.

Методика основана на решении системы дифференциальных уравнений передвижения влаги и ионов металлов в почве. Точность и чувствительность методики зависит от полноты учета главных действующих факторов.

При выполнении данной работы методика прогноза была привязана к конкретным природным условиям, выполнена ее апробация и настройка в части формирования водного режима, а также настроена на объемы загрязнения и модифицирована для условий изменения кислотности почвы, что потребовало изменения граничных условий и алгоритмов решения системы уравнений.

Поступление тяжелых металлов в почву моделировалось следующим образом. Принято, что в основном они поступают в виде пыли и аэрозолей, в которых кадмий и свинец содержатся преимущественно в виде оксидов. В почве они преобразуются в карбонат кадмия и в гидроксид (карбонат, гидрокарбонат) свинца.

При увлажнении верхних слоев почвы происходит растворение этих соединений, сорбция значительного количества ионов и поступление оставшейся их части в почвенный раствор.

Поэтому при моделировании принято, что тяжелые металлы поступают в почву с атмосферными осадками в растворенном виде, для этого модель настраивалась таким образом, чтобы к началу внесения известковых отходов каменепиления, содержание тяжелых металлов отвечало исходному уровню. Исходный уровень загрязнения почв принимался для условий приближенных к рассматриваемой задаче.

Погодные условия для Республики Дагестан приняты по 20 летнему ряду наблюдений с 1966 по 1985 г.г. Для этого региона среднее годовое количество осадков за теплый период (1.04 по 20.10) составляет 273 мм. Потенциальное испарение с почвы за теплый период по нашим оценкам составляет в среднем 683 мм, дефицит влаги равен 683-273 = 410 мм, значения дефицита изменяется от 200 мм до 800 мм, что говорит о засушливости климата и необходимости орошения.

При решении поставленной задачи был применен ретроспективный метод моделирования: принято, что загрязнение почвы атмосферными осадками расчета продолжалось в течение 30 лет и составило по кадмию 0.30 кг/га, по свинцу - 6.50 кг/га, после чего рассмотрен 10-ти летний период с разными уровнями кислотности почвы, которая создавалась за счет внесения соответствующих доз отходов камнепиления.

В течение 30 лет от начала расчета при ежегодном выпадении кадмия и свинца вместе с осадками на уровне 0.30 кг/га и 6.5 кг/га на момент внесения отходов камнепиления содержание кадмия (горизонт А1+А2) составило 0.72 мг/кг, свинца - 26.98 мг/кг (валовое содержание). Варианты расчетов по эффективности применения отходов камнепиления определялись уровнем рН и подвижностью (R) металлов в почве согласно рис.2. и рис.3.:

1. Вариант - рН_Cd = 8,0 (Д = 2,5т/га), рН_Pb = 7,5 (Д = 2 т/га), R = 0.05

2. Вариант - рН_Cd = 6,0 (Д = 3,5 т/га), рН_Pb = 6,5 (Д = 3 т/га), R = 0.1

3. Вариант - рН = 4.5 (Д = 10 т/га), R = 0.3

4. Вариант - рН = 4.0 (Д = 13 т/га), R = 0.5

Вариант 4 принят условно для расчетов, поскольку почвы с такой кислотностью в данном регионе не встречаются, но это не отрицает возможность применение подобной ситуации в других условиях. Результаты прогнозирования представлены на рис. 6. и 7.(кадмий) и рис. 8. и 9. (свинец).



Анализ результатов расчетов по прогнозу изменения содержания кадмия и свинца в почве показывает, что при внесении отходов камнепиления в дозах, обеспечивающих подвижности металлов на уровне R=0,05 достижение минимального содержания тяжелых металлов происходит в течение двух лет.

В тоже время для этого варианта наблюдается наибольшее валовое содержание этих металлов в почве, однако тенденция такова, что даже при принятой нагрузке по кадмию на уровне 0,30 мг/кг и по свинцу - 6,50 мг/кг в динамике загрязнения появляется некоторая стабилизация валового содержания в течение последних 10 лет.

Все это говорит о том, что в почве при поддержании кислотных условий на уровне 1 варианта, стабилизируются балансовые соотношения между приходом и миграцией тяжелых металлов в слое А1 + А2.

Снижение кислотности за счет внесения тонких продуктов камнепиления хотя и не очищает почву, но при снятии источников загрязнения, позволит стабилизировать на минимальном уровне содержание доступных для растений подвижных форм тяжелых металлов в почве.

Критерием достаточности такого приема, в конечном итоге, должно быть получение незагрязненной продукции, а не оценка изменения общего содержания металла в почве.

Исходя из изложенного выше делаем вывод, что отходы камнепиления известняков-ракушечников могут быть использованы для повышения урожайности и экологической безопасности кислых и загрязненных земель.

В четвертой главе диссертационной работы рассматриваются вопросы комплексной рекультивации карьерных выемок, отвалов и прилегающих территорий при добыче пильного стенового камня.

Определены виды нарушений и основные направления использования нарушенных земель (карьерные выемки, отвалы вскрышных пород и отходов камнепиления, запыленные, загрязненные и захламленные прилегающие территории).

Карьерные выемки, образующиеся при добыче известняков-ракушечников, относятся к глубоким карьерам, глубиной 30…50м., площадью более 10 га, по водному режиму могут быть сухими, переувлажненными или затопленными водой.

Не имеют в бортах токсичных пород, грунтовые воды не токсичны и не засолены. Чаще всего карьеры расположены недалеко от населенных пунктов или в их черте.

В процессе добычи камня образуются насыпи из вскрышного (поверхностный слой месторождения) слоя грунта, непригодного для производственных целей.

Толщина вскрышного слоя, снимаемого при разработке известняков-ракушечников, составляет в среднем 3…10 м.

Отвалы, образующиеся из отходов камнедобыче известняков-ракушечников, относятся по ГОСТ 17.5.1.02-85 к средневысоким отвалам, по форме могут быть террасированными или гребневатыми.

Отходы камнепиления известняков-ракушечников относятся к материалам и породам, не вызывающим негативных воздействий на окружающую природную среду и могут складироваться в линейно протяженные отвалы, формируемые в виде многоярусной террасированной горы (холма).

В работе рассмотрены вопросы адресной рекультивации нарушенных земель, обустройства переувлажненных, обводненных и сухих выемок образующихся при разработке месторождений пористых горных пород. Дано обоснование основных направлений использования отвалов вскрышных пород, отходов камнепиления и прилегающих территорий.

Основываясь на том, что при обосновании направлений рекультивации нарушенных земель (сельско, лесо, рыбо, водохозяйственное, рекреационное, строительное и др.) должны учитываться такие факторы как рельеф местности, геологические и гидрологические условия, состав и свойства пород и почв прилегающих территорий, природно-климатические условия, состав растительности, экономико-географические, хозяйственные, социально-экономические и санитарно-гигиенические условия выделены следующие критерии выбора основных направлений использования карьерных выемок известняков-ракушечников при их рекультивации: размеры (площадь, глубина); водный режим (сухие, переувлажненные, затопленные водой); химический состав грунтовых вод; геохимический состав вмещающих горных пород (наличие в бортах токсичных пород); удаленность от населенных пунктов.

По приведенным выше обоснованиям основных направлений использования карьерных выемок, выемки, образующиеся при разработке месторождений известняков-ракушечников, могут быть использованы как в сельскохозяйственных, лесохозяйственных так в водохозяйственных и рекреационных целях (водоемы для рыбной ловли, купания или хранения воды).

При сельскохозяйственном использовании карьерных выемок и прилегающих территорий обустройство может проводиться для выращивания овощей, зелени, создания пашни, залужения для восполнения кормовой базы и.т.д.

Возможные виды нарушенных земель при разработке известняков-ракушечников и направления их использования после рекультивации приведены ниже:

Сухие выровненные карьерные выемки могут быть использованы в сельско-, лесо- и водохозяйственных производственных целях;

Глубокие или среднеглубокие обводненные карьерные выемки - равнинная, не подтопляемая грунтовыми водами поверхность для сельскохозяйственного использования, по бортам лесозащитные насаждения, обводненная часть карьеров - рекреационное использование;

Терассированные или гребневидные отвалы отходов камнепиления или пород вскрыши могут быть залужены с целью восполнения кормовых угодий, местами под овощеводство, под лесопосадки;

Сочетание глубоких карьерных выемок и высоких внешних отвалов гребневидных или конических - под лесопосадки противоэрозионного, водоохранного, санитарно-защитного направлений, сельскохозяйственное использование отвалов.

Определен весь комплекс природоохранных рекультивационных мероприятий и работ, исходя из основных целей рекультивации и использования нарушенных земель при разработке месторождений известняков-ракушечников.

Рассмотрены следующие этапы рекультивации:

Подготовительный этап, который начинается с проведения инвестиционного обоснования мероприятий и заканчивается разработкой рабочей документации;

Технический этап - инженерно-техническая часть проекта, направленная на подготовку нарушенных земель для ликвидации последствий антропогенной деятельности и решения задач биологической рекультивации;

Данный раздел работы посвящен вопросам подготовки территории к различным видам целевого назначения.

Определены основные требования и виды ландшафтно-восстановительных и экоохранных работ в зависимости от целевого назначения рекультивируемых земель.

Освещены вопросы инженерной защиты восстанавливаемых территорий, которая включает мероприятия по отводу поверхностных вод, защите от подтопления и заболачивания, борьбе с оврагообразованием и эрозией почв, устройству дорог, подъездов и других сооружений.

Биологический этап - завершающий этап рекультивации, включающий озеленение, лесное строительство, биологическую очистку почв, агромелиоративные и фиторекультивационные мероприятия, направленные на восстановление процессов почвообразования.

По ГОСТ 17.5.1.03 - 86 известняки-ракушечники относятся к карбонатным, скальным породам, к 3-й группе по пригодности для биологической рекультивации, непригодные по физическим свойствам, хотя не являются фитотоксичными.

Поэтому их породные отвалы должны быть спланированы и засыпаны слоем потенциально плодородных грунтов, пригодных для развития корневой системы растений в пределах искусственно насыпаемого слоя, то есть должен быть сформирован корнеобитаемый горизонт, мощность которого зависит от назначения участка: для пашни не менее 0,6 м, для лесопосадок - 1…. 2 м и 0,7 м для сенокосов.

Пятая глава диссертации посвящена разработке способов и технологий переработки и использования отходов камнепиления известняков-ракушечников в строительстве.

Для обоснования пригодности отходов камнепиления известняков-ракушечников для использования в строительстве определены их физико-механические характеристики и определена пригодность отходов для создания новых строительных материалов.

Заполнители, получаемые при дроблении горных пористых пород и отходов их добычи, как и сами эти породы, отличаются большим разнообразием свойств, определяемых их структурой, химическими и минералогическими свойствами.

Одним из главных условий возможности переработки и использования отходов камнепиления известняков-ракушечников является, соответствие основных свойств получаемых материалов требованиям гостов.

Поэтому в работе рассмотрены основные характеристики и требования к заполнителям из отходов камнепиления пористых горных пород.

Приведены результаты исследования физико-механических характеристик заполнителей из отходов камнепиления известняков-ракушечников Дагестанских карьеров.

Испытание заполнителей фракций 5 - 20 и 20 - 40мм, показало, что такие крупные пористые известняковые заполнители можно отнести к маркам 50; 75; 100, насыпная плотность составляет 800 -950 кг /м³. Межзерновая пустотность составляет 45 -55 %.

Прочность при сжатии зависит от их начальной влажности и находится в пределах 0,4 - 10 МПа.

Следовательно, они могут быть рекомендованы в качестве крупных заполнителей для получения легких бетонов.

Пески, получаемые при переработке отходов камнепиления известняков-ракушечников, относятся к мелким пескам и пригодны для использования в легких бетонах в качестве мелкого заполнителя.

Они имеют насыпную плотность 1100…… 1150 кг /м³, а пустотность их не превышает 50 %.

Рассмотрено оборудование и технологии для переработки отходов камнепиления в заполнители для бетонов.

Технологическая схема получения заполнителей из отходов камнепиления горных пород состоит из камнедробилки, транспортеров и сортировочной установки.

Данная глава диссертационной работы посвящена также разработке методики подбора состава легкого бетона на пористых заполнителях. При проектировании составов легких бетонов по существующим методикам, рекомендуется применять зависимости прочности бетонов от активности цемента и цементно-водного отношения или от активности и расхода цемента.

То есть зависимости вида:

R = A* R _ц * (Ц/В - Б)

или R = К о * R_ц *(Ц - С_о).

Влияние вида и свойств заполнителей при прочих равных условиях учитывается входящими в формулу коэффициентами и свободными членами: А, Б, К₀, и С₀.

Недостатком существующих методик проектирования составов легких бетонов является то, что в них не учитывается влияние объемной концентрации крупного заполнителя на прочность бетона.

Кроме того, значения коэффициентов и свободных членов, входящих в формулы прочности бетона, должны определяться для каждой породы и каждого месторождения.

В ходе исследований нами в работе получены зависимости водопотребности бетонной смеси от водопотребности заполнителей (рисунок 10. и 11.), с учетом требуемой удобоукладываемости бетонной смеси.

Зависимости водопотребности заполнителей от их зернового состава и средней плотности (рисунок 12.).



А также зависимости прочности бетона от цементно-водного отношения, активности цемента, прочности, качества и концентрации заполнителей (рисунок 13, 14, 15.).