О рекультивации земель, нарушенных горными работами в Кузбассе, на основе применения прикладных геофизических технологий

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

Ресурсная направленность экономики Кузбасса уязвима с экологических и санкционных позиций [2]. Стремление снизить затраты на добычу угля недропользователями обусловливает ведение горных работ открытым способом, что не является лучшим вариантом для экологии региона. Открытый способ добычи угля отягощен не только загрязнениями окружающей среды, но и образованием “нарушенных” земель, для введения в оборот которых требуется их рекультивация. В Российской Федерации сложилось несколько научных школ рекультивации нарушенных земель (РНЗ), одна из которых сформирована в Кемеровском государственном университете [3–9, 12, 14, 15]. Эта научная школа широко применяет как традиционные методы РНЗ в Кузбассе [9, 12], так инновационные технологии [5]. Однако, несмотря на значительные успехи в области проведения РНЗ, ее оптимизация далека от совершенства. Снижение затрат на проведение РНЗ ориентирует недропользователей в Кузбассе на выбор лесотехнического направления, которое нацелено чаще на высадку малоценных, но неприхотливых растений [9, 12]. Поэтому результатом такого проведения РНЗ является перевод земель промышленности в лесные, но с их низкой кадастровой стоимостью. Для повышения кадастровой стоимости рекультивируемых земель и обеспечения их вклада в развитие территорий, авторами предлагается высадка ценных пород деревьев, что предполагает дальнейшее их народно-хозяйственное использование. Для высадки ценных пород деревьев необходимо знание состава грунтов и их обводненности.

Авторами предлагается проведение зонирования отработанных участков после технического этапа РНЗ на основе геофизического метода путем применения прикладных малоглубинных геофизических технологий (ПМГТ), которые в горном деле разнообразны и широко используются [1, 10, 11, 13]. Однако применение таких технологий при проведении РНЗ недостаточно изучено. По мнению авторов, ПМГТ в Кузбассе могут найти более широкое применение и использоваться не только при проведении технического этапа РНЗ, но и быть нацелены на совершенствование второго (биологического) этапа.

Цель исследования — разработка метода рекультивации земель, нарушенных горными работами в Кузбассе, на основе их зонирования с помощью прикладных малоглубинных геофизических технологий на примере разреза “Талдинский угольный разрез”. Авторы считают, что проблемная ситуация заключается в том, что, несмотря на использование инновационных технологий, применяемых на биологическом этапе рекультивации, на техническом этапе отсутствуют эффективные методики изучения рекультивационного слоя для установления необходимого индекса лесорастительных условий и профилактических мер по применению почвоулучшителей [9, 12]. Разработка методов изучения рекультивационного слоя на первом этапе и его зонирование для оптимизации биологического этапа — это важная научная задача. Все перечисленное выше свидетельствуют об актуальности темы исследований и её научном и практическом интересе.

МЕТОДЫ И МАТЕРИАЛЫ

В качестве научно-методической основы нового подхода предлагается использовать метод зонирования, профилактической мерой которого является следующий критерий [11]:

NP[t] > NP_ƒ[t₀], (1)

где NP[t] и NP_ƒ[t₀] — последствия негативных процессов и явлений на исследуемой территории на периоды t и t₀ до и после рекультивации соответственно.

Для снижения последствий негативных процессов и явлений на исследуемой территории при проведении зонирования на основе ПМГТ, авторами предложен критерий

A[t] > A_ƒ[t₀], (2)

где A[t] — геофизические аномалии исследуемого месторождения на эпоху t; A_ƒ[t₀]– фоновые геофизические аномалии исследуемого месторождения на эпоху t₀.

Задачи исследования:

• установить проблемную ситуацию РНЗ;

• разработать метод рекультивации земель, нарушенных горными работами в Кузбассе, на основе применения ПМГТ;

• отразить реализацию применения ПМГТ на конкретном примере.

Экспериментальные исследования по реализации зонирования для обеспечения оптимизации РНЗ в Кузбассе на основе применения ПМГТ проведены авторами в рамках проекта “Экополигон мирового уровня технологий рекультивации и ремедиации”, реализуемого Кемеровским государственным университетом совместно с индустриальным партнером АО “Кузбассразрезуголь”, на участке отвалов вскрышных пород разреза “Талдинский угольный разрез”, располагающийся вблизи села Большая Талда Прокопьевского муниципального района Кемеровской области.

Экспериментальные исследования включали:

− георадиолокационное профилирование грунтов;

− вертикальное электрическое зондирование (ВЭЗ) грунтов.

Георадиолокационное профилирование грунтов проведено по системе параллельных продольных профилей 1–3, расположенных по падению откоса отвала вскрышных пород. Схематичное расположение профилей и их направление представлено на рис. 1. Сканирование осуществлялось аппаратурой ОКО-2 (ООО “ЛогиС”) с антенным блоком АБ-400 на частоте 400 МГц. Глубина зондирования зависела от электрофизических свойств изучаемой среды и частоты зондирующего сигнала, что для данного типа антенного блока и состава грунтового массива с диэлектрической проницаемостью ~7 составила 5 м. Линейная горизонтальная развертка георадиолокационных данных производилась по датчику пути при заданной плотности съемки 10 пк/м. Рабочий временной диапазон был принят 90 нс, 512 временных отчетов в линейной шкале.

Рис. 1. Схема расположения профилей и зонирования: профили 1, 2, 3 — георадиолокационного профилирования грунтов; ВЭЗ‑1, 2, 3 — профили вертикального электрического зондирования.

Длина профилей контролировалась колесным датчиком пути, входящим в состав георадара. Для интерпретации данных георадиолокационной съемки использовалась измерительная программа Geoscan32 v2.3 b4 (ООО “ЛогиС”). Geoscan32 позволяет производить усиление сигнала, частотную фильтрацию с целью подавления помех. Также применялись различные цветовые схемы для улучшения визуализации, и производилась корректировка глубины исследований путем назначения эффективной диэлектрической проницаемости для грунтового массива. Диэлектрическая проницаемость для насыпных грунтов по справочным данным принималась, равной 7 [9].

Расположение точек ВЭЗ выбиралось исходя из возможности выполнения заземления при разносах питающей линии АВ, равной 110 м. Таким образом, зондирование осуществлялось приближенно к осевой части экополигона в трех точках ВЭЗ, равномерно расставленных в верхней, средней и нижней части откоса. В качестве измерительной аппаратуры использовался электроразведочный комплекс “Березка”, состоящий из приемника ЭРП-5 и генератора ЭРГ-5. Заземление приемной линии осуществлялось электродами из нержавеющей стали на глубину до 20 см, питающая линия заземлялась стальными электродами.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Метод рекультивации земель, нарушенных горными работами в Кузбассе, на основе применения ПМГТ включает:

− методику изучения состава грунтов после их механической обработки;

− методику изучения обводненности грунтов для обеспечения питания высаживаемых растений.

Методики изучения состава грунтов и их обводненности базируются на результатах интерпретации георадиолокационного профилирования и вертикального электрического зондирования грунтов.

Интерпретация георадиолокационного профилирования грунтов свидетельствует о следующем. Оценка сложения грунтового массива осуществлялась по форме осей синфазности. Участки, на которых оси синфазности теряют корреляцию [1], считаются аномальными, связанными с разуплотнением грунтов массива. На рис. 2 показаны радарограммы по профилям 1–3, где стрелкой обозначен участок с нарушением корреляции осей синфазности, что обусловлено разуплотнением грунтов на данном участке.

Рис. 2. Радарограммы по профилю: а — 1, б — 2, в — 3.

Грунт низкой плотности по всем исследуемым профилям располагается от дневной поверхности на глубине до 1 м. По профилю 1 такая аномальная зона зафиксирована на участке от 50 до 70 м от начала профиля, по профилю 2 от 47 до 60 м, по профилю 3 от 63 до 112 м. Таким образом, разуплотнения встречены преимущественно в средней части экополигона.

Направление разносов питающих линий ВЭЗов выбиралось вдоль простирания откоса, так чтобы соблюдалось требование заземления электродов А и В с разницей в абсолютных отметках земли, не превышающей 5–10%. Зондирование осуществлялось симметричной 4-электродной установкой Шлюмберже при разносе АВ до 110 м, что позволило достичь глубины исследования до 25–35 м в зависимости от состава исследуемой грунтовой толщи. Обработка полевых данных выполнялась в программе IPI2win, где осуществлялось построение кривых ВЭЗ, их инверсия и объединение в геоэлектрический разрез ВЭЗ-1–2–3 (рис. 3).

Рис. 3. Геоэлектрический разрез ВЭЗ‑1–2–3.

Анализ результатов ВЭЗ грунтового массива свидетельствует о следующем. Как видно из приведенного геоэлектрического разреза, средняя часть профиля (точка ВЭЗ-2) в диапазоне исследуемых глубин 0.9–27.6 м представлена грунтом с повышенным удельным электрическим сопротивлением (УЭС) 43–67 Ом⋅м, ниже по разрезу залегает грунт с фоновым УЭС 27 Ом⋅м. Периферийная часть исследуемого профиля представлена грунтами с УЭС 26–32 Ом⋅м, что тоже является относительно фоновым значением УЭС. В точке ВЭЗ-3 с глубины 38.3 м отмечено резкое снижение УЭС до значений 1.46 Ом⋅м, что предположительно связано с насыщением грунтового массива подземными водами.

Согласно выполненных авторами исследований, установлено:

− наличие зоны насыщения грунтового массива подземными водами, в которой высаживаемые растения обеспечены питанием (см. рис. 1);

− выделение в средней части площадки грунтов зоны с повышенным УЭС до 67 Ом⋅м (см. рис. 1), так как на данном участке залегает крупнообломочный грунт до глубины 27.6 м, что влияет на индекс лесорастительных условий, т. е. на биологическом этапе рекультивации земель потребуется применение почвоулучшителей [12];

Ввыделение зон обводненности и крупнообломочных грунтов подтверждено бурением скважин.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании выполненных исследований сделаны следующие выводы.

1. Авторами предложен новый подход к РНЗ на ее техническом этапе, основанный на применении ПМГТ на отработанном участке, обеспечивающий изучение рекультивируемого слоя и выбор соответствующего индекса лесорастительных условий.
2. Установлено, что интерпретация результатов применения ПМГТ на ее техническом этапе является оперативным, точным и высоко автоматизированным методом при трансформировании земель.
3. Разработанный авторами метод РНЗ в Кузбассе на основе применения ПМГТ на ее техническом этапе — это не только инструмент защиты от опасных техногенных воздействий, но и рационального землепользования и решения экологических задач развития территорий.

Исследование выполнено в рамках комплексной научно-технической программы полного инновационного цикла “Разработка и внедрение комплекса технологий в областях разведки и добычи полезных ископаемых, обеспечения промышленной безопасности, биоремедиации, создания новых продуктов глубокой переработки из угольного сырья при последовательном снижении экологической нагрузки на окружающую среду и рисков для жизни населения”, утвержденной Распоряжением Правительства Российской Федерации от 11.05.2022 г. № 1144-р.

Об авторах

А. Н. Соловицкий

Автор, ответственный за переписку.
Email: san.mdig@mail.ru
Россия, ул. Красная, 6, Кемерово, 650000

Н. Ю. Никулин

Email: san.mdig@mail.ru
Россия, ул. Красная, 6, Кемерово, 650000

Список литературы

Дополнительные файлы

Доп. файлы

Действие

1. JATS XML

Скачать

2. Рис. 1. Схема расположения профилей и зонирования: профили 1, 2, 3 — георадиолокационного профилирования грун- тов; ВЭЗ‑1, 2, 3 — профили вертикального электрического зондирования.

Скачать (488KB)

Метаданные

3. Рис. 2. Радарограммы по профилю: а — 1, б — 2, в — 3.

Скачать (822KB)

Метаданные

4. Рис. 3. Геоэлектрический разрез ВЭЗ‑1–2–3.

Скачать (259KB)

Метаданные