12. Порушення земної поверхні при будівництві та експлуатації гірських підприємств

Горное производство является причиной изъятия из природного кругооборота и нарушения значительной части земель. Нарушение земель – процесс, происходящий при добыче полезных ископаемых, выполнении геологоразведочных, изыскательских, строительных и других работ и приводящий к нарушению почвенного покрова, гидрогеологического режима местности, образованию техногенного рельефа и другим качественным изменениям состояния земель.

Нарушенными считаются земли, которые утратили свою хозяйственную ценность или являются источником отрицательного воздействия на окружающую среду. Их возникновение связано как с разработкой месторождений, так и с геологоразведочными работами.

С появлением на поверхности земли отвалов шахтной породы, содержащей большое количество сульфидов, сформировался сернокислый класс коры выветривания, образовались сернокислые подземные водоносные горизонты, сернокислые почвы и поверхностные воды. Известно, что даже незначительные концентрации серной кислоты снижают биологическую продуктивность почв, вызывают гибель растений, эрозию, разрушение экосистем водоемов.

Различают прямое (непосредственное) и косвенное (опосредованное) воздействие горных работ на земли (ландшафт). К первой группе относятся воздействия, связанные с возникновением деформаций земной поверхности в зоне горных выработок при подземном способе разработки месторождений, возведением отвалов пустых пород, сооружением хвостохранилищ, строительством промышленных зданий. Прямое воздействие приводит к нарушению почвенного покрова, изменению режима почвенных и подземных вод, изменению облика территории, сокращению площадей сельскохозяйственных и лесных угодий, то есть к образованию нового техногенного ландшафта в зоне горного производства.

Ко второй группе относятся воздействия, связанные с изменением состояния и режима грунтовых вод, возникающими вследствие прямого воздействия горного производства, осаждения пыли и химических соединений из выбросов в атмосферу, а также накопления токсичных веществ при инфильтрации минерализованных шахтных вод из хвостохранилищ, выноса и осаждения продуктов эрозии нарушенных земель, подтопления и заболачивания участков земель вследствие изменения состояния и режима грунтовых вод на деформированных участках горного массива, и наконец, ухудшения качества вод поверхностных водоемов и водотоков. Косвенное воздействие приводит к ухудшению качества почвы, снижению продуктивности земель, условий произрастания растений и обитания животных, т.е. к деградации природных территорий.

В общем случае, следствием прямого и косвенного воздействия горных работ на земли является возникновение неблагоприятных экологических факторов: сокращение площадей ландшафтов, водная и ветровая эрозия, разрушение почвенной структуры, минерализация (засоление), переувлажнение (подтопление) и, наоборот, осушение почв в связи с образованием депрессионных воронок, их уплотнение.

Особенно стимулирует интенсивное нарушение земной поверхности процесс непосредственного изъятия (добычи) из горного массива полезного ископаемого. Наибольшие площади плодородных земель отчуждаются и нарушаются при открытом способе разработки месторождений, обеспечивающем добычу наиболее объемных масс полезных ископаемых: топливных, железорудных, строительных.

При подземном способе отработки месторождения таких нарушений значительно меньше, но вместе с тем он оказывает существенное воздействие на состояние земель в окрестности горного предприятия. При этом формируется провально-терриконовый тип местности, т.е. имеют место как отрицательные (провалы, прогибы, впадины), так и положительные (отвалы) эффекты изменения уровня земной поверхности.

Особое значение для состояния земной поверхности имеют отрицательные эффекты, которые вызываются деформациями массивов залегающих горных пород. В горном массиве в пределах влияния горных выработок (прежде всего выработанного пространства) в направлении земной поверхности выделяют зоны: обрушения пород над выработанным пространством (порядка 6m, где m – мощность угольного пласта), трещин (до 40m), опорного давления и плавного прогиба пород. Последняя может достигать земной поверхности, образуя мульды сдвижения. Отдельные точки таких мульд сдвигаются неодинаково, в результате чего возникают вертикальные (наклоны, кривизна) и горизонтальные (растяжение, сжатие) деформации, а также сдвижения.

Вредное влияние подработки земной поверхности оценивается по величинам названных оседаний, наклонов, кривизны, горизонтальных сдвижений и деформаций. Ожидаемые величины деформаций земной поверхности определяются по общепринятой методике.

Размеры зоны влияния подземных выработок на состояние горного массива зависят от различных факторов, к которым относятся: мощность, угол падения и глубина расположения разрабатываемых пластов; размеры очистных выработок; расположение и размеры оставляемых в очистной выработке целиков; способ управления горным давлением; скорость подвигания забоя; наличие вблизи очистной выработки ранее отработанных площадей; физико-механические свойства пород; структурные особенности массива горных пород (мощность слоев, геологические нарушения и др.).

Наибольший интерес (с точки зрения разработки эффективных природоохранных мероприятий) представляют факторы, которые поддаются регулированию. К ним относятся способ управления горным давлением, скорость подвигания забоя, система расположения выработок и др. Изменяя эти факторы, можно влиять на величину деформаций, следовательно, на нарушение земной поверхности при подработке.

Глубина, площадь оседаний и скорость сдвижения горных пород находятся в прямой зависимости от мощности вынимаемого пласта.

От способа управления кровлей существенно зависит процесс сдвижения подработанного горного массива. Наиболее неблагоприятны последствия при разработке полезного ископаемого с полным обрушением пород, поскольку возможны следующие ситуации: зона обрушений достигнет поверхности шахтного поля и произойдет образование провалов и трещин; до поверхности доходит только зона оседания пород, при этом отдельные участки территории плавно прогибаются и опускаются; поверхность шахтного поля не испытывает ни деформаций, ни смещений.

Размеры выработанного пространства существенно влияют (до определенного предела) на абсолютные величины сдвижения пород и в меньшей степени – на относительные деформации. Продолжительность и интенсивность процесса сдвижения обусловливает скорость подвигания очистного забоя. Чем последняя выше, тем меньше продолжительность процесса сдвижения пород. Следовательно, сроки его отрицательного влияния на подрабатываемую поверхность земли сокращаются.

Порядок ведения горных работ и расположение выработок комплексно воздействуют на параметры и характер процесса сдвижения. В зависимости от того, в какие зоны попадают последующие (после проведения первой) очистные выработки, а также от расположения и размеров оставляемых целиков деформация пород может уменьшаться или возрастать.

Угол падения пород – один из основных факторов, определяющих угловые параметры процесса сдвижения и распределения деформаций в мульде. При больших углах падения происходит сползание пород лежачего бока и резкое выполаживание угла сдвижения у верхней границы выработки, при малых (до 5^о) мульда сдвижения симметрична относительно плоскости, проведенной через точку максимального оседания параллельно простиранию пластов. С увеличением глубины разработки все виды деформаций земной поверхности уменьшаются.

При разработке пластов с углами падения α ≤ 45^о на глубине менее 12m (m – вынимаемая мощность пласта) на земной поверхности могут образоваться провалы (воронки). Границей зоны возможных провалов принимается контур, отстоящий в плане от контура очистных выработок на 5м. Если нижняя граница очистных выработок расположена на глубине более 12m, то границей зоны провалов со стороны падения пласта принимается контур, который в плане на 5 м сдвинут в сторону нижней границы выработки от проекции изогипсы пласта, проведенной на глубине 12m.

К зоне провалов прилегает зона больших трещин, ширина которой принимается равной 10м. Ее граница в сторону падения пласта располагается в плане не дальше проекции изогипсы пласта, проведенной на глубине 20m.

К зоне провалов прилегает зона больших трещин. Ее ширина со стороны висячего бока принимается равной 30 м, со стороны лежачего бока и по простиранию – 20 м.

Процесс сдвижения земной поверхности в зоне влияния подземных разработок протекает неравномерно и характеризуется общей продолжительностью и периодом опасных деформаций. Общая продолжительность процесса сдвижения – это период, в течение которого земная поверхность над выработанным пространством находится в состоянии сдвижения. Под периодом опасных деформаций понимается период сдвижения земной поверхности, в течение которого проявляется вредное влияние подземных разработок на сооружения и природные объекты.

Началом процесса сдвижения точки земной поверхности считается дата, когда оседание точки достигает 15 мм, окончанием – дата, после которой суммарные оседания на протяжении 6 месяцев не превышают 10% максимальных (но не более 30 мм).

К характерным видам сдвижения относятся:

- плавное без нарушения сплошности пород;

- блоками с нарушением сплошности пород;

- обрушение пород.

При плавном сдвижении массива образуются мульды оседания и прогибы земной поверхности на больших площадях с глубиной проседания до горизонтов очистных работ. В пределах мульд оседания возникают зоны сжатия и растяжения. В зонах растяжения имеют место разрушения растительного покрова земли, разрыв корневой системы растений, скрепляющий почву, образование трещин и провалов. Эти явления способствуют развитию эрозии почв, образованию оврагов, инфильтрации поверхностных вод в подземные выработки, осушению грунтов земной поверхности, тем самым снижая биологическую продуктивность земель.

При разрыве сплошности на земной поверхности появляются провальные образования (каньоны, воронки, а также менее заметные смещения вокруг провалов). Эти изменения приводят к нарушениям ланшафта и гидрогеологическим процессам подземных вод. Они занимают меньше площади (менее значительные, чем мульды и прогибы), но доставляют немало хлопот, поскольку:

- во-первых, земли на долгое время исключаются из сельскохозяйственного оборота;

- во-вторых, деформированная поверхность может подтапливаться, на ней происходят оползни, обрушения и обвалы.

Как плавные, так и разрывные сдвижения имеют дополнительно несколько отрицательных следствий:

1) наносят повреждения, а иногда и разрушают наземные объекты и подземные коммуникации;

2) отрицательно влияют на гидрогеологическую обстановку прилегающих территорий (особенно характерно для систем разработки с обрушенем), что проявляется:

- в дренаже водоносных горизонтов, что приводит к образованию огромных депрессионных воронок, истощению запасов подземных водных ресурсов;

- в возможном исчезновении наземных прудов, озер, ручьев, малых рек вследствие инфильтрации воды в подземные выработки;

- в нарушении при подработке пойм рек водного режима почвенного слоя, что снижает продуктивность плодородия сельскохозяйственных земель;

- в возможном недопустимом увеличении притока воды в горные выработки, прорыве воды и затоплении выработок;

- в дополнительной просадке поверхности вследствие истощения подземных вод;

- в обводнении и заболачивании пониженных участков грунтовыми водами;

- в обеднении и даже исчезновении экологических систем. Восстановление гидрогеологических условий после окончания горных работ может протекать в течение многих десятилетий;

3) отрицательно влияют на лесонасаждения; а именно: при больших наклонах краев мульд имеет место повал деревьев; нарушается водный режим в корнеобитаемом слое растительности (лес затапливается на пониженных и даже равнинных участках рельефа паводковыми, атмосферными водами, а также в результате опускания земной поверхности ниже зеркала воды ближайших водоемов; кроме того, водный режим нарушается из-за повышения уровня грунтовых вод относительно корнеобитаемого слоя или, наоборот, из-за осушения);

4) сдвижение пород может сопровождаться эндогенными пожарами, выгорание угля ведет к дальнейшему развитию обрушения налегающих пород (провалам) и загрязнению атмосферы вредными продуктами горения.

Следует отметить, что проседание земной поверхности при подземной добыче полезного ископаемого – наиболее распространенная форма нарушений земной поверхности. И хотя технология ведения подземных работ совершенствуется, распространенность данного явления не снижается, оно остается острой проблемой во всех угольных бассейнах мира.

Отрицательное влияние подземных горных работ заключается также в засорении и отчуждении земли породными отвалами. В процессе добычи угля подземным способом на поверхность выдается порода от проведения подготовительных и очистных работ, зачистки и восстановления горных выработок, которая отсыпается обычно в один отвал. Количество ее зависит от системы разработки, горно-геологических условий, способа выемки угля и т.д. Выданная на поверхность порода складируется в различные по размерам и форме отвалы (конические, гребневидные, платообразные (плоские), комбинированные). Они занимают большие площади ценных сельскохозяйственных земель, снижают продуктивность соседних земель, загрязняют атмосферу газами и пылью, нарушают гидрогеологический режим местности. Кроме того, воды (преимущественно токсичные), стекающие с отвалов, уничтожают растительность на прилегающей территории. Отвалы, расположенные вблизи населенных пунктов, ухудшают санитарно-гигиенические условия жизни людей.

Нарушения земной поверхности, непосредственно связанные с производством горных работ, не ограничиваются только площадями горных отводов и территориями, выделяемыми для размещения отходов производства, но и оказывают влияние за их пределами. Фактически размеры зон нарушенных земель значительно превышают площади, занятые собственно объектами горного предприятия.

Оценка эффективности использования и охраны природных земель при добыче и переработке полезных ископаемых осуществляется целым рядом показателей. К ним относятся общая площадь земель, используемая, нарушаемая и загрязняемая при добыче и переработке полезного ископаемого, показатель удельной землеёмкости, коэффициент эффективности использования земель в пределах земельного отвода.