Горнопромышленная эколоГия - под редакцией доктора технических наук, профессора Ю.В.михайлова
←
→
Транскрипция содержимого страницы
Если ваш браузер не отображает страницу правильно, пожалуйста, читайте содержимое страницы ниже
высшее ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВанИЕ
Ю. В. МихайлоВ, В. В. Коворова,
В. Н. МорозоВ
Горнопромышленная
экология
Под редакцией доктора технических наук,
профессора Ю. В. Михайлова
Допущено
Учебно-методическим объединением вузов
Российской Федерации по образованию в области
горного дела в качестве учебного пособия для студентов
вузов, обучающихся по направлению подготовки «Горное дело»УДК 574(075.8)
ББК 20.1я73
М69
Р е ц е н з е н т ы:
д-р техн. наук, проф. Е. Ю. Куликова (кафедра «Строительство подземных
сооружений и шахт» Московского государственного горного университета);
д-р геол.-мин. наук, проф. С. В. Белов (директор Государственного
геологического музея им. В. И. Вернадского)
Михайлов Ю. В.
М69 Горнопромышленная экология : учеб. пособие для студ.
учреждений высш. проф. образования / Ю. В. Михайлов,
В. В. Коворова, В. Н. Морозов ; под ред. Ю. В. Михайлова. —
М. : Издательский центр «Академия», 2011. — 336 с.
ISBN 978-5-7695-7146-6
Учебное пособие создано в соответствии с Федеральным государствен-
ным образовательным стандартом по направлениям подготовки «Горное
дело», «Физические процессы горного и нефтегазового производства» (квали-
фикация «специалист»).
В учебном пособии на основании анализа факторов антропогенного воз-
действия и основных источников техногенного загрязнения окружающей сре-
ды в горном производстве показано влияние их на атмосферу, гидросферу,
недра, описаны методы инженерной защиты биосферы. Рассмотрены вопро-
сы экологического риска, контроля окружающей среды, экологического мо-
ниторинга, экспертизы, аудита, законодательства. Изложены принципы фор-
мирования малоотходных производств и утилизации отходов. Приведены
примеры обеспечения экологической безопасности при освоении минераль-
ных ресурсов (включая урановые) в криолитозоне. Выявлен механизм опти-
мального формирования ледяного и льдопородного закладочного массива.
Представлены варианты подземной добычи руд с механическим разрушением
горного массива и применением горного оборудования с дистанционным
управлением, вопросы радиоактивного загрязнения окружающей среды, ра-
диационной и геодинамической безопасности ядерно-топливного цикла,
применения методов космической геодезии для мониторинга геодинамиче-
ских процессов.
Для студентов учреждений высшего профессионального образования.
УДК 574(075.8)
ББК 20.1я73
Оригинал-макет данного издания является собственностью Издательского
центра «Академия», и его воспроизведение любым способом без согласия
правообладателя запрещается
© Михайлов Ю. В., Коворова В. В., Морозов В. Н., 2011
© Образовательно-издательский центр «Академия», 2011
ISBN 978-5-7695-7146-6 © Оформление. Издательский центр «Академия», 2011Предисловие
Согласно Государственному образовательному стандарту дисци
плину «Горнопромышленная экология» изучают студенты всех специ
альностей направления «Горное дело» в рамках общепрофессиональ
ных дисциплин.
Развитие человеческой цивилизации связано с необходимостью
потреблять естественные ресурсы. Но экономическое развитие не
должно нарушать равновесие экосистем. Необходимо сохранять ба
ланс между экономикой и экологией. Безграничное потребление
минеральных ресурсов приводит к уничтожению окружающей при
родной среды и даже условий существования самого человека на
Земле. С одной стороны, обеспечить достойные условия существова
ния человека можно решая вопросы сохранения природы в процессе
получения энергетических и материальных ресурсов, с другой — че
ловек может получить энергетические и материальные ресурсы толь
ко путем разрушения самой природы. Это противоречие можно
устранить при условии сохранения естественной биоты за счет целе
направленных изменений применяемых технологий.
В то же время разные биологические сообщества по-разному реа
гируют на одно и то же воздействие. Поэтому для каждой экосистемы
должен существовать свой предел величины каждого техногенного
воздействия, за которым начинаются необратимые изменения. Поиск
этих пределов является фундаментальной проблемой (как экологии,
так и промышленной экологии), решаемой на стыке биологии и тех
нологии. Это означает, что допустимый уровень техногенного возму
щения абиоты конкретной экосистемы должен определяться из усло
вий сохранения ее биоты, т. е. каждой экосистеме соответствует свой
предел ограничений действия по каждому техногенному фактору.
В настоящем пособии изложен феноменологический подход ми
нимизации техногенного воздействия на окружающую природную
среду существующими и новыми геотехнологиями на примерах под
земной разработки месторождений полезных ископаемых в условиях
криолитозоны Сибири и урановых месторождений.
В части I «Экологические основы охраны окружающей среды в
горном производстве» рассмотрены вопросы влияния горного про
изводства на биосферу Земли, охраны земной поверхности, принци
пы обеспечения экологической безопасности при проведении горных
работ, экологический аудит.
3В части II «Экотехнология подземной добычи ценных руд в усло виях криолитозоны (вечной мерзлоты)» представлены материалы по вопросам обеспечения экологической безопасности при подземном освоении недр Сибири и Дальнего Востока, оптимального формиро вания льдопородной закладки выработанного пространства, опытно- промышленных испытаний и внедрения новой экотехнологии на многолетнемерзлых месторождениях; экотехнологии добычи крепких руд породоразрушающим инструментом; экологической эффектив ности новых геотехнологий. В части III «Радиоэкологическая безопасность окружающей среды при добыче, использовании и хранении уранового сырья» рассмо трены вопросы радиоактивного загрязнения окружающей среды, радиационной и геодинамической безопасности ядерно-топливного цикла, применения методов космической геодезии для мониторинга геодинамических процессов и обеспечения экологической безопас ности объектов ядерно-топливного цикла. В данном учебном пособии использованы труды ведущих отече ственных и зарубежных ученых в области горного дела; результаты новейших научных и технических достижений по излагаемым вопро сам; инструктивная, техническая и проектная документация; про спекты ведущих фирм и объединений. Авторы выражают глубокую благодарность коллегам, принимав шим участие в подготовке рукописи: доктору технических наук, про фессору Ю. П. Галченко (подразд. 7.2, гл. 11), доктору технических наук В. Н. Татаринову (гл. 14), а также рецензентам: профессору ка федры «Строительство подземных сооружений и шахт» Московского государственного горного университета, доктору технических наук Е. Ю. Куликовой; директору Государственного геологического музея им. В. И. Вернадского, доктору геолого-минералогических наук, про фессору С. В. Белову.
Список сокращений
АЭС — атомная электростанция
БВР — буровзрывные работы
БН — атомный реактор на быстрых нейтронах
БПК — биохимическое потребление кислорода
ВАО — радиоактивные отходы высокой степени активности
ВВ — взрывчатые вещества
ВВЭР — водо-водяной энергетический реактор
ВОЗ — Всемирная организация здравоохранения
ВЧ — декаметровые волны высокой частоты (102 … 10 м)
ГГС — государственная геодезическая сеть
ГИС — геоинформационная система
ГЛОНАСС — глобальная навигационная спутниковая система, Россия
ГОК — горно-обогатительное комплексное предприятие, включаю-
щее рудник с наземными и подземными сооружениями
и обогатительную фабрику
ДВС — двигатель внутреннего сгорания
ЕРН — естественные радионуклиды
ЖРО — жидкие радиоактивные отходы
ИСЗ — искусственный спутник Земли
КВЧ — миллиметровые волны крайне высокой частоты (1…0,1 см)
КМА — Курская магнитная аномалия
ЛЗ — ледяная закладка
ЛПЗ — льдопородная закладка
ЛЭП — линия электропередачи
МАГАТЭ — Международное агентство по атомной энергии
ММП — многолетнемерзлые породы
МПР РФ — Министерство природных ресурсов и экологии Российской
Федерации
МЭД — мощность экспозиционной дозы (экспозиционная доза —
количество γ-излучения)
НАО — радиоактивные отходы низкой степени активности
НДС — напряженно-деформированное состояние
НПЗ — нефтеперерабатывающий завод
НРБ — нормы радиационной безопасности
НЧ — километровые волны низкой частоты (104 … 103 м)
НЭМИ — неионизирующие электромагнитные излучения
ОВЧ — метровые волны очень высокой частоты (10 … 1 м)
5ОПС — окружающая природная среда
ОС — окружающая среда
ОЯТ — отработанное ядерное топливо
ПАВ — поверхностно-активные вещества
ПАЭС — подземная атомная электростанция
ПДВ — предельно допустимый выброс загрязняющих веществ
в воздух
ПДМ — погрузочно-доставочная машина
ПДМ с ДУ — погрузочно-доставочная машина с дистанционным управ-
лением
ПДК — предельно допустимая концентрация химических ве-
ществ
ПДС — предельно допустимый сброс загрязняющих веществ в воду
РАО — радиоактивные отходы
РБМК — реактор большой мощности канальный
РЛС — радиолокационные станции
РО — радиационное обследование
РТО — радиотехнические объекты
САО — радиоактивные отходы средней степени активности
СВЧ — сантиметровые волны (10 … 1 см)
СДЗК — современные движения земной коры
СЗЗ — санитарно-защитная зона
СКО — средняя квадратическая ошибка
СНП-77 — Санитарные нормы проектирования предприятий и уста-
новок атомной промышленности
СОЖ — смазочно-охлаждающие жидкости
СТБ — структурно-тектонический блок
СЧ — гектометровые волны средней частоты (103 … 102 м)
ТБО — твердые бытовые отходы
ТВЧ — твердые взвешенные частицы
ТВЭ — тепловыделяющий элемент
ТПО — твердые промышленные отходы
ТПК — территориально-промышленный комплекс
ТЭК — топливно-энергетический комплекс
ТЭС — тепловая электростанция
УВЧ — дециметровые волны (1 … 0,1 м)
УМД — установка метательного действия — исполнительный орган
(агрегат) с ударно-метательным действием ударного ин-
струмента
ФАГС — фундаментальная астрономо-геодезическая сеть
ХПК — химическое потребление кислорода
ЭМИ — неионизирующие электромагнитные излучения
ЭМП — электромагнитное поле
ЭРОА — эквивалентная равновесная объемная активность
ЯТЦ — ядерно-топливный цикл
EUREF — Европейская система координат
6GPS — глобальная навигационная спутниковая система (Global position system), США IGGU — Международный геодезический и геофизический союз IGS — Международная геодинамическая служба ITRF — отсчетная геодезическая основа (International Terrestrial Reference Frame) PDOP — специальный коэффициент геометрического снижения точности сигналов GPS-спутников WGS-84 — всемирная геодезическая система координат
Введение Жизнь человечества на Земле, как и существование самой Земли, имеет начало и конец. Отстаивая свое право на существование, человек вступает в борьбу с окружающей природной средой, про тивопоставляя ей свой опыт и знания. Не всегда эта борьба завер шалась победой человека (Атлантида, Ледниковый период, Всемир ный потоп). Однако очередное возрождение человеческой жизни происходило на более высоком интеллектуальном уровне. Со вре менем борьба за выживание переросла в борьбу за выживание с комфортом. Обеспечение комфорта потребовало потребления энергии и ис пользования минеральных ресурсов колоссальных объемов. Влияние деятельности человека на окружающую среду стало соизмеримым с влиянием геологических процессов на Землю. В настоящее время существованию человечества угрожают два фактора: • техногенное воздействие самого человека на окружающий его мир (ядерные испытания и радиоактивное загрязнение, безграничное потребление энергетических и минеральных ресурсов и др.); • эволюционное развитие Земли, уносящее жизни миллионов людей в результате вулканической деятельности, землетрясений, цунами и пр. Для сохранения своего жизненного потенциала необходимо, во- первых, обеспечить разумный подход к своему влиянию на окружаю щую природную среду, во-вторых, сосредоточить все свои знания и научный интеллект на прогнозировании, предупреждении и защите от воздействий стихий природы. Мощное влияние на окружающую среду (на живые и неживые компоненты природы) оказывает горное производство. Сохранить баланс между экологией и экономикой в горном деле призвана горная экология. Горная экология — наука, изучающая взаимодействие горного производства с окружающей природной средой, создающая научную и инженерную основу обеспечения экологической безопасности по отношению к биосфере, при освоении минеральных ресурсов Зем ли. Один из аспектов горной экологии — горнопромышленная эко- логия. 8
Мировая добыча всех видов исчерпаемых ресурсов непрерывно
возрастает. Подсчитано, что при сохранении современных темпов
добычи полезных ископаемых большинство рудных ресурсов будет
исчерпано за ближайшие 50 … 100 лет. Технология ресурсосбережения
заключается в производстве и реализации конечных продуктов с
минимальным расходом вещества и энергии на всех этапах произ
водственного цикла (от добывающих до «распределяющих» отраслей)
и с наименьшим воздействием на природные экосистемы и человека.
Это выражается, прежде всего, в энергетической эффективности —
соотношении между затрачиваемой энергией и полезным продуктом,
получаемым при этих затратах.
Для настоящего времени характерна модель общества, которая
базируется на использовании значительного количества энергии и
минеральных ресурсов и с большой скоростью превращает высоко
качественную энергию в низкокачественную, а ресурсы — в отходы,
в загрязняющие компоненты.
Принятая в большинстве развитых стран концепция устойчивого
развития мира ставит во главу угла разумное использование энергии
и рециркуляцию вещества, добычу минеральных ресурсов с мини
мальными потерями и разубоживанием, вторичное использование
невозобновимых ресурсов, сокращение потребления и потерь энер
гии. В этой модели будущего общества на всех уровнях (локальном,
региональном, глобальном) не должен быть превышен порог эколо
гической устойчивости окружающей среды. При этом для ограниче
ния потерь ресурсов и предотвращения загрязнения необходимо
учитывать информацию о воздействиях на окружающую среду на
«входе» в нее. Например, значительно проще и дешевле предотвратить
попадание токсичного загрязнителя в подземные воды, служащие
источником питьевых вод, чем пытаться очистить уже загрязненную
воду.
Уменьшение сроков разложения отходов также является одним из
направлений ресурсосбережения. Наиболее долговечные загрязни
тели окружающей среды — пластмассы (по некоторым данным, наи
более легко разлагающиеся виды пластмасс требуют для осуществле
ния этого процесса не менее 100 лет).
Горнопромышленная экология изучает закономерности воздей
ствия человека на окружающую среду в сфере горного производства
и в первую очередь взаимосвязь физических и химических процессов,
лежащих в основе добычи и переработки полезных ископаемых, с
кругооборотом вещества и энергии в биосфере. Это направление
имеет цель: сформулировать сущность проблемы в целом; разработать
научную программу и методы изучения проблемы; построить общую
и частные модели взаимодействия человека с окружающей средой в
сфере горного производства; суммировать результаты проведенных
исследований и разработать научные основы технологических про
цессов, обеспечивающих оптимальный уровень воздействия на окру-
9жающую природную среду. Горнопромышленная экология связана
с такими областями знаний, как природопользование, геотехнология,
обогащение полезных ископаемых, геоэкология, экономика и други
ми естественными науками.
Формирование горно-экологического направления соответствует
современным тенденциям развития экологии.Часть I
Экологические основы охраны
окружающей среды в горном
производстве
Гл а в а 1
Анализ антропогенных факторов
в природе
Во второй половине ХХ в. было использовано столько минераль
ного сырья, сколько за всю предыдущую историю человечества.
Большую опасность представляет загрязнение планеты, в частности
Мирового океана, из-за увеличения добычи нефти на морских про
мыслах.
Огромные нефтяные пятна губительны для жизни представителей
флоры и фауны океана. Самой уязвимой частью природы стала пре
сная вода.
Сточные воды, пестициды, удобрения, ртуть, мышьяк, свинец,
радиоактивные загрязнения и многое другое в огромных количествах
попадают в реки, озера и моря. Главное, однако, не в полноте списка
этих проблем, а в осмыслении причин их возникновения, характера
и, что самое важное, в выявлении эффективных путей и способов их
разрешения.
Человечество не может существовать без использования при-
родных ресурсов планеты, многие из которых при современном
развитии техники и технологий могут быть исчерпаны практически
без остатка. Это, в свою очередь, окажет, без всяких сомнений,
прямое негативное влияние как на условия существования будущих
поколений, так и функционирование биосферы как глобальной
экосистемы.
Для уменьшения негативного влияния необходимо развивать комп-
лексный подход к использованию сырья, ресурсосберегающие тех-
нологии, обеспечивающие уменьшение расхода сырьевых ресурсов,
используемых в промышленности, при сохранении или увеличении
объема конечной продукции, что является одним из важнейших эле
ментов развития мирового сообщества в соответствии с моделью
устойчивого развития.
111.1. Принципы естественного устройства биосферы Биосфера. Существует множество определений понятия «био сфера». В буквальном переводе термин «биосфера» обозначает сферу жизни, и в таком смысле он впервые был введен в науку в 1875 г. австрийским геологом и палеонтологом Эдуардом Зюссом (1831 — 1914). Однако задолго до этого под другими названиями, в частности «пространство жизни», «картина природы», «живая оболочка Земли» и т. п., его содержание рассматривалось многими другими естество испытателями [12]. Первоначально под всеми этими терминами подразумевалась только совокупность живых организмов, обитающих на нашей пла нете, хотя иногда и указывалась их связь с географическими, геоло гическими и космическими процессами, но при этом скорее обра щалось внимание на зависимость живой природы от сил и веществ неорганической природы. Даже автор самого термина «биосфера» Э. Зюсс в своей книге «Лик Земли», опубликованной спустя почти тридцать лет после введения термина (1909), не замечал обратного воздействия биосферы и определял ее как «совокупность организмов, ограниченную в пространстве и во времени и обитающую на поверх ности Земли». В. И. Вернадский, изучавший взаимодействие живых и неживых систем, понимал биосферу как сферу единства живого и неживого. По представлениям В. И. Вернадского, биосфера — это тонкая обо лочка Земли, в которой все процессы протекают под воздействием живых организмов. Такое толкование определило взгляд ученого на проблему происхождения жизни на Земле. Рассматривались следую щие варианты: 1) жизнь возникла до образования Земли и была занесена на нее; 2) жизнь зародилась после образования Земли; 3) появление жизни произошло одновременно с образованием Земли. Вернадский придерживался последней из этих точек зрения и считал, что нет убедительных научных данных о том, что живое когда- либо не существовало на нашей планете. Иными словами, биосфера на Земле была всегда [2]. Биосфера (в современном понимании) — своеобразная оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами. Факты и положения о биосфере накапливались по степенно в связи с развитием ботаники, почвоведения, географии растений и других, преимущественно биологических, наук, а также геологических дисциплин. Те элементы знания, которые стали не обходимыми для понимания биосферы в целом, оказались связан ными с возникновением экологии — науки, которая изучает взаимо 12
отношения организмов и окружающей среды. Биосфера является
определенной природной системой, а ее существование в первую
очередь выражается в круговороте энергии и веществ при участии
живых организмов [6].
Другими словами, биосфера охватывает нижнюю часть атмосферы
Земли, гидросферу и верхнюю часть литосферы.
Атмосфера — наиболее легкая оболочка Земли, которая граничит
с космическим пространством; через нее осуществляется обмен ве
щества и энергии с космосом. Атмосфера имеет несколько слоев:
тропосферу мощностью слоя 10 … 12 км, стратосферу — 12 … 50 км и
ионосферу — 50 … 80 км.
Преобладающие элементы химического состава атмосферы, % по
объему: N2 — 78, О2 — 21, Ar — 0,9, СО2 — 0,03. Биосфера в атмосфере
простирается примерно до озонового слоя (у полюсов мощность слоя
составляет 8 … 10 км, у экватора — 17 … 18 км, над остальными терри
ториями — 20 … 25 км).
Гидросфера — водная оболочка Земли. Вследствие высокой под
вижности вода проникает повсеместно в различные природные обра
зования, даже наиболее чистые атмосферные воды содержат 10 …
50 мг/л растворимых веществ.
Преобладающие элементы химического состава гидросферы: Na,
Mg, Ca, К, S, С. Главной особенностью океанической воды является
то, что основные ионы характеризуются постоянным соотношением
во всем объеме Мирового океана. В 1977 г. в океане на глубине не
скольких километров были обнаружены горячие вулканические зоны,
в которых при температуре 350 °С существуют многочисленные тер
мофильные бактерии.
В экспериментах американского исследователя Камерона синезе
леные водоросли на протяжении нескольких месяцев не теряли жиз
неспособности в условиях, которые соответствовали марианским.
Литосфера — внешняя твердая оболочка Земли, состоящая из
осадочных и магматических пород. В настоящее время земной корой
принято считать верхний слой твердого тела планеты, расположенный
выше сейсмической границы Мохоровичича. Поверхностный слой
литосферы, в котором осуществляется взаимодействие живой материи
с минеральной (неорганической), представляет собой почву. Остатки
организмов после разложения переходят в гумус (плодородную часть
почвы). Составными частями почвы служат минералы, органические
вещества, живые организмы, вода, газы.
Преобладающие элементы химического состава литосферы: О, Si,
A1, Fe, Ca, Mg, Na, К. Ведущую роль выполняет кислород, на долю
которого приходится половина массы земной коры и 92 % ее объема,
однако кислород прочно связан с другими элементами в главных по
родообразующих минералах. Таким образом, в количественном от
ношении земная кора — это «царство» кислорода, химически связан
ного в ходе геологического развития земной коры.
13Вы также можете почитать
