Атмосферные потоки рассеивания при разработке месторождений
Специфическая особенность ГПЛ — наложение техногенного загрязнения на природные геохимические аномалии — вторичные ореолы и потоки рассеяния месторождений в почвах, растениях, поверхностных и подземных водах.
Это преобразование природного ландшафта на современном уровне развития технологии ведения горных работ является обязательным условием длительного и стабильного функционирования горнопромышленного комплекса.
Характерные особенности горно-промышленных ландшафтов
Геохимия горно-промышленных ландшафтов
Горнорудная промышленность является одним из наиболее мощных факторов техногенного воздействия на природные ландшафты. Это связано прежде всего с огромным количеством перемещаемых горных масс. К примеру, если Курильская вулканическая система продуцирует в год около 100 ×106 т вулканического материала, то на уральских медноколчедановых месторождениях (Гайское, Учалинское, Сибайское) добывалось в среднем в год 70 ×106 т , что вполне сравнимо с геологическими факторами [28 ].
Разработка месторождений полезных ископаемых приводит к огромным площадям почти полного уничтожения природных ландшафтов, занятые скважинами, шахтами, карьерами, отвалами пород, отходами первичного обогащения руд, угольными терриконами, транспортными магистралями и др. В результате формируются особые техногенные ландшафтно-геохимические системы — горнопромышленные ландшафты (ГПЛ).
Сам процесс преобразования в этом случае рассматривается как техногенное воздействие, приводящее к изменению не только структуры, но и характера процессов трансформации вещества и энергии в фоновом (природном) ландшафте. В предельно общем случае количественная оценка техногенного воздействия в виде техногенной нагрузки (ТН) представляется как разность между начальными (фоновыми) параметрами составляющих ландшафта (Пф) и измененными в результате воздействия горнопромышленного комплекса (Ппг):
ТН = Пгп - Пф
Современная технология добычи и переработки полезных ископаемых позволяет использовать лишь часть извлекаемой горной массы, как правило, несколько процентов. Все остальное накапливается в виде отходов, рассеиваемых природными миграционными потоками (атмосферными и водными), что приводит к геохимическому загрязнению объектов природно-территориальных комплексов в районе действия горных предприятий.
Влияние горно-промышленного комплекса как источника техногенного воздействия на ландшафтную систему заключается в изъятии вещества из природной ландшафтно-геохимической системы. Реализация технологических процессов добычи и переработки полезного ископаемого формирует техногенный поток рассеивания вещества, массовый потенциал которого определяется количеством горной массы, мобилизуемой в процессе добычи:
М = Мг + Мо + Мп + М' ,
где Мг - добытая горная масса в виде готовой продукции - полезного ископаемого (цель функционирования горного предприятия);
Мо - горная масса складируемая в отвалы, шламо - и хвостохранилища(вскрышные породы, некондиционные полезные ископаемые, отходы обогащения); добывается попутно и является потенциальными полезными ископаемыми, но не целью функционирования горного предприятия;
Мп - горная масса, рассеиваемая аэро-и гидромассами за геометрическими границами области добычи (потери);
М' - горная масса, затронутая техногенным воздействием(изменение структуры, физико - механических свойств, гранулометрического состава, химического состава) (является потенциальным источником Мг, Мо, Мп).
Очевидно, что определяющим фактором является Мг - цель функционирования горного предприятия. Поэтому можно представить:
М = К ×Мг (при К = Ki + 1),
где Ki - коэффициенты пропорциональности для Мо, Мп, М', зависящие от конкретных геологических условий месторождения, свойств добываемой горной массы, применяемой технологии добычи и переработки полезного ископаемого, ландшафтно-геохимических условий территории.
Добыча и переработка полезных ископаемых требует применения различных видов энергии техногенного происхождения, основными из которых являются электрическая энергия и химическая энергия взрывчатых веществ и топлив. Трансформация химической энергии в необходимую тепловую или механическую приводит к обязательному появлению побочных продуктов (отходов ) этого процесса - газов (оксиды углерода, азота, серы), твердых и жидких веществ (зола, сажа, продукты неполного сгорания топлив). Побочные продукты трансформации химической энергии, образующиеся на разных стадиях технологического процесса добычи и переработки, увеличивают массовый потенциал техногенного потока рассеивания.
Рассматривая горно - промышленный комплекс, как целостную систему можно выделить ряд общих структурных подсистем, входящих в состав любого горного предприятия:
· добыча горной массы;
· транспорт горной массы;
· переработка полезного ископаемого;
· складирование отходов добычи и переработки.
В трех подсистемах (добыча, транспорт, переработка) реализуются техногенные процессы рассеивания вещества, в одной (складирование отходов) - техногенные процессы аккумуляции вещества.
Функционирование горного предприятия вызывает ответную реакцию ландшафтной природной системы, приводящую к возникновению процессов, противоположных техногенным.
Реакция природной системы на изъятие вещества в подсистеме добычи-процессы аккумуляции, проявляющиеся в поступлении в систему гидромасс ландшафта (осадки, грунтовые и подземные воды).
Реакция системы на техногенную аккумуляцию при складировании отходов - процессы рассеивания вещества гидро- и аэромассами ландшафта.
В итоге взаимодействие техногенных и природных процессов приводит к образованию в двух подсистемах - добычи и складирования - одновременно протекающих противоположно направленных процессов, усиливающих в целом техногенную нагрузку на природный ландшафт.
Процессы аккумуляции гидромасс при добыче вызывают необходимость их удаления, что формирует не только дополнительный техногенный поток рассеивания, но и приводит к изменению режима движения и количественного соотношения различных видов гидромасс в ландшафте (поверхностных, грунтовых, подземных). Водный поток рассеивания, формирующийся в результате осушения области добычи, имеет иной вещественный и химический состав, чем атмосферные осадки, грунтовые и подземные стоки фонового ландшафта. При формировании в подсистеме, реализующей техногенные процессы рассеивания горной массы, отражается не только специфика химического состава и свойств горной массы, а также образующих его природных гидромасс, но и специфику конкретно используемой технологии добычи (виды взрывчатых веществ, применение специальных химических веществ, типы горных и транспортных механизмов и машин). Отвод дренажных вод в поверхностные водоемы приводит к изменению химического состава воды в них, т.е. вызывает их техногенное геохимическое загрязнение.
Процессы рассеивания вещества при складировании отходов добычи и переработки формируют неорганизованные потоки вещества, транспортируемые аэро-и гидромассами ландшафта, которые вызывают рассеивание части складируемого вещества. Интенсивность и качественный состав потоков рассеивания определяется с одной стороны химическим составом и свойствами складируемой горной массы, а также процессами химической, физической и биохимической трансформации при ее складировании, а с другой стороны, конкретными ландшафтно - климатическими условиями (скорость ветра, количество осадков, температура и влажность воздуха и т.д.) и характером складирования отходов (площадь поверхности, рельеф).
Образующиеся потоки рассеивания формируют первичную техногенную геохимическую нагрузку, выражающуюся в изменении вещественного и химического состава приземного слоя аэромасс, поверхностного и грунтового стока.
Рассеивание вещества из складируемых отходов происходит одновременно с процессами его депонирования в почвенном слое и донных отложениях водоемов; в ряде случаев оно приводит к появлению техногенных геохимических аномалий (вторичная техногенная нагрузка).
О качественном и количественном составе потоков рассеивания, которые формируются при добыче, обогащении и переработке полезных ископаемых, можно судить по распределению элементов в рудах и первичных ореолах рассеивания месторождения.
Для рудных месторождений в подавляющем большинстве случаев промышленные рудные тела не имеют физических границ и выделяются лишь по уровню содержания целевого компонента (обычно одного химического элемента). Этот уровень определяется технологической и экономической эффективностью извлечения и обогащения полезного компонента при сложившейся конъюнктуре и существующих технических возможностях.
Обрамляющие рудные тела горные породы содержат достаточно высокие (обычно выше кларковых) уровни концентрации целевого компонента и сопутствующих ему элементов (первичные ореолы рассеивания). Пространственные размеры первичных ореолов и количество заключенных в них запасов химических элементов нередко превышают их запасы в рудных телах. Геохимические ресурсы месторождения Rg можно определить следующим образом:
Rg = ri + ra + rb ,
где ri - промышленные запасы ;
ra - запасы в первичном ореоле;
rb - запасы вне ореола.
Объем извлекаемых геохимических ресурсов зависит от способа разработки месторождения. Открытый способ приводит к максимально возможной степени извлечения промышленных запасов и запасов в первичных ореолах рассеивания.
На рассеивание химических элементов при разработке месторождения в общем случае влияют те же факторы, что и при гипергенезе месторождения (природные процессы выветривания).
Для пород силикатного состава наблюдается резкая дифференциация в поведении химических элементов. Всегда энергично выносятся и подвижны в потоках рассеивания Zn, Co, Cu, Cd, Se, Pb, As, накапливаются Mo, Ag, Ba, Fe.
Для пород алюмосиликатного состава (глинистые породы) подвижность многих элементов резко уменьшается в связи с появлением сорбционного геохимического барьера. Обычно энергично мигрируют только анионогенные химические элементы - S, Se, Te.
Для пород карбонатного состава миграция химических элементов всегда резко снижена. Даже для условий выветривания богатых руд большинство элементов ведет себя крайне инертно.
Источником атмосферных миграционных потоков являются технологические процессы добычи горной массы, приводящие к образованию пыли и газов. В первом приближении состав пыли должен отвечать составу исходных пород добываемой горной массы, хотя в ряде случаев наблюдается обогащение пыли химическими элементами на стадиях технологического процесса, что объясняется разной дробимостью минералов.
В горно-промышленных ландшафтах техногенные аномалии в депонирующих средах (почвы, снежный покров), связанные с атмосферными потоками рассеивания, имеют четко выраженный градиент концентрации от центра к периферии. Центральные части аномалий приурочены к источнику выбросов - горному предприятию. В их пределах уровни содержания элементов - загрязнителей в десятки и сотни раз превышают фоновые параметры. Размеры центральных частей аномалий достигают нескольких квадратных километров (обычно до 10 км2). Строение зон загрязнения от атмосферных выбросов несложно и зависит от рельефа. В расчлененных районах наиболее интенсивные участки аномалий локализуются в пределах горно-долинных ландшафтов.
Общие ресурсы пыли, образующиеся при добыче горной массы, включают мобилизованную (активную пыль) и накопленную (осажденную, но не фиксированную).
Технологическими процессами, генерирующими пыль, являются те, которые сопровождаются разрушением горной массы - взрывные работы, бурение, дробление. Остальные технологические процессы, связанные с транспортировкой, пересыпкой складированием горной массы только мобилизуют пыль. Цикл миграции частиц пыли может быть представлен схемой [ 27 ]:
генерация Þ перенос Þ осаждение Þ фиксация
Ý ß
мобилизация
ß
вынос за пределы области добычи
Наряду с техногенными процессами генерации и мобилизации пыли, в любом горно - промышленном ландшафте функционируют их природные аналоги. Генерация пыли происходит при естественном выветривании открытых поверхностей карьерных выработок, горной массы в отвалах, а мобилизация пыли происходит при сильных ветрах.
Многократные циклы "генерация - мобилизация - осаждение" вызывают постепенное обогащение общих ресурсов пыли тонкими фракциями и загрязнение приземного слоя атмосферы витающей пылью. В целом общее количество пыли в горно-промышленном ландшафте со временем увеличивается.