4.6. Нарушение состояния литосферы

4.6.1. Горнопромышленное производство

В последние десятилетия в жизни земной коры обнаружились неожиданные явления. Выяснилось, что естественный ход движения земной коры может изменяться в местах возведения крупных инженерных сооружений, на участках массовой добычи полезных ископаемых, на территории крупных городов. Человечество, того не подозревая, вмешивается в глубинную жизнь Земли. Особенно отчетливо, временами даже «нервно», земная кора реагирует на создание водохранилищ. Проникновение человека во все более глубокие горизонты земной коры заставляет уделять больше внимания воздействию человеческой деятельности на литосферу.

Добыча и переработка полезных ископаемых как один из основных аспектов деятельности человека сопровождается масштабным воздействием на окружающую среду. Деятельность рудников, карьеров, обогатительных фабрик и промыслов вызывает необратимые изменения окружающей среды в виде:

• разрушения земной коры;

• перераспределения в литосфере напряжений и горного давления;

• изъятие из оборота почв;

• загромождения отвалами земной поверхности;

• изменения характера атмосферных явлений и запыленности;

• изменения видов и количества флоры и фауны в окрестностях.

Глубина отдельных рудников в Южной Африке и Индии достигает 3800 м. Глубина угольных шахт в Европе доходит до 1300 м. Глубина рабочих горизонтов на рудниках Норильска превышает 1000 м. Глубина многих железорудных карьеров составляет 300 м. Глубина карьера по разработке кимберлитовой трубки в г. Мирном достигает 480 м.

К концу XX в. человек видоизменил исходные природные ландшафты более чем на половине площади суши. На долю разработки и освоения минерального сырья: угля, нефти, природного газа, металлических руд, минеральных удобрений, строительных материалов — приходится свыше 80% общего антропогенного воздействия на литосферу. Подземный и от­крытый способы разработки месторождений полезных ископаемых существенно влияют на водный, термический и геохимический режимы территорий расположения горнодобывающих комплексов. Наибольший экологический ущерб наносит открытый способ разработки. Изъятие горных масс из карьеров сопровождается их накоплением в отвалах, приводящих геологическую и окружающую среды в неравновесное состояние. Ежегодно в процессе ведения горных работ перемещается не менее 2∙10⁹ т горных пород.

В России действуют более 600 шахт и рудников с подземной добычей угля, руд черных и цветных металлов, минеральных удобрений и свыше 4000 карьеров и разрезов. В угольной промышленности на экологическую обстановку биосферы негативное влияние оказывают 230 шахт 65 разрезов и 74 обогатительные фабрики. Разработка месторождений горно-химического сырья осуществляется 35 карьерами и 20 рудниками. В железорудной промышленности открытым способом разрабатывается 5 месторождений.

Особенностью горного производства как вида техногенеза является его высокая концентрация в пространстве. Только в Свердловской области находятся в разработке или были отработаны за последние 30 лет более 200 месторождений твердых полезных ископаемых; в штате Вайоминг (США) — 45 рудников и 18 горно-металлургических заводов. Следующей особен­ностью комплекса является образование многочисленных от­ходов производства. В процессе добычи 1 т угля и стали образуется до 6 т отходов. На тонну добычи руд цветных металлов приходится не менее 100 т отходов и более 50 т при их переработке. Общее количество неутилизированных отходов горно­го производства в России превышает 50 млрд т. Рыхлые вскрышные породы являются источниками пыли для воздуш­ного бассейна, водотоков и почв прилегающих территорий.

Горнопромышленная деятельность человека осуществля­ется в российских регионах интенсивной добычи сырья: Донбассе, Кузбассе, Норильске, Урале и их аналогах за рубежом. Так добыча угля в России ведется в нескольких основных угольных бассейнах: Кузнецком, Канско-Ачинском, Печорском и Донецком.

В результате добычи полезных ископаемых природные ландшафты трансформируются в горнопромышленные ландшафты, а в земной коре происходят глубинные геологические процессы, оседание земной поверхности, техногенные землетрясения и горные удары. Так, в 1986 г. на одном из рудников

производственного объединения «Уралкалий» образовался провал диаметром 150 м.

Локальные прогибания земной коры (мульды) хорошо известны в угледобывающих районах Польши, Чехии, Германии, Англии, Японии. На территории Силезского угольного бассейна в Польше установлено общее прогибание бассейна относительно удаленных стабильных территорий. Средняя скорость прогибания в центре района достигает 3 мм/год, а по грани­цам участка отмечаются положительные вертикальные движения со скоростью 1 мм/год. Скорость оседания поверхности зависит от интенсивности угледобычи. Отдельные участки просели за период с 1957 по 1967 гг. на 2 м. В Чехии отмеча­лись опускания поверхности над угольными шахтами со ско­ростью 1,5 мм/сут. В Японии на двух угольных месторождени­ях за 50 лет эксплуатации отмечены опускания на 3,3 и 7,5 м. В Рурском, Донецком и Подмосковном угольных бассейнах величина проседания поверхности достигла нескольких метров при глубине разработок 300…700 м. Опасное оседание и сдвижение пород над выработками развивается тогда, когда толщина кровли превышает толщину отрабатываемого слоя менее, чем в 300 раз. Необходимо также учитывать, что проседанию поверхности способствует нагрузка в миллионы тонн, создаваемая отвалами пустой породы.

Ежегодно горными работами нарушается около 150 тыс. га земель. В мире в результате горнотехнической деятельности нарушено более 20 млн га земель. Например, в районе Курской магнитной аномалии горными работами нарушено свыше 30 тыс. га площадей, а вокруг каждого карьера в радиусе до 30 км образовались депрессионные воронки подземных вод.

Количество горных ударов, зафиксированных с 1970 г. на горных предприятиях России превысило 400. В апреле 1989 г. сила горного удара на Кировском руднике ПО «Апатит», который классифицирован как техногенное землетрясение, достигала 6 баллов. На руднике во всех выработках, пересекаемых тектоническим нарушением, произошли выбросы породы, разрушение крепи, деформация рельсовых путей. Сильные геодинамические события, обусловленные освоением недр, отмечены во многих странах.

Добыча подземных вод и глубокое водопонижение также вызывают изменение напряженного состояния водосодержащих и водоупорных пород и оседание земной поверхности. В результате откачки воды:

• происходит рост эффективных напряжений в водоносных породах и упругие деформации скелета горных пород;

• происходит формирование порового давления в водоупор­ных породах; в этом случае происходит отжатие поровой воды под действием возросшей нагрузки; этот деформационный процесс происходит по законам фильтрационной консолидации (ползучести).

Пример сжатия горных пород под влиянием глубокого водопонижения на Белозерском железорудном месторождении. Основной водоносный горизонт сложен песками мощностью 15 м и коэффициентом сжимаемости 4,5∙10^-3 МПа^-1. Под песками на глубине 300 м залегала толща мергельно-меловых пород мощностью 30м, считавшаяся условным водоупором. Сни­жение напора в водоносных песках на 200 м привело к сильному сжатию горных пород. Основная часть осадки произошла за счет уплотнения водоупорной мергельно-меловой толщи. Водоотдача этой толщи оказалась на порядок выше, чем у песков. Вода откачивалась с интенсивностью до 3 тыс. куб. метров в час. Общая осадка земной поверхности составила примерно 30 м. Сжатие вызвало деформацию крепи вертикальных стволов и потребовало разработки специальных защитных мероприятий.

Способ подземного захоронения промышленных и коммунальных стоков используется достаточно широко, потому что имеет немалые экологические преимущества. Еще в конце прошлого века в США действовало 680 полигонов глубокого подземного захоронения. Здесь главным требованием является надежная изолированность пласта-коллектора и отсутствие неотектонической активности региона. Закачка жидких про­мышленных отходов в глубокие горизонты также сильно из­меняет физико-химическое состояние литосферы. Таким образом, все основные технологии добычи и переработки полезных ископаемых являются в той или иной степени разрушающими литосферу.