Антропогенное воздействие на недра - Студенческий научный форум

XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

Антропогенное воздействие на недра

Полянская Е.Р. 1
1Государственный университет "Дубна"
 Комментарии
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Основное природное богатство недр — минерально-сырьевые ресурсы, т. е. совокупность полезных ископаемых, заключенных в них. Добыча (извлечение) полезных ископаемых с целью их переработки — главная цель пользования недрами.

Недра — источник не только минеральных ресурсов, но и огромных энергетических запасов. В нашей стране сосредоточены огромные запасы полезных ископаемых, в том числе и геотермального тепла. Ее потребности в минеральных и других природных ресурсах могут быть полностью обеспечены за счет собственных национальных ресурсов.

Масштабы антропогенного воздействия на недра увеличиваются с каждым годом. Если в прошлом хозяйственная деятельность затрагивала в основном почвенный слой, в наше время велико воздействие на недра. Причинами этого являются быстрое техногенное развитие, а также рост численности населения, из чего следует увеличение ресурсных затрат на производство и обслуживание. Недропользование имеет свою нормативно-правовую базу и требует соблюдения определенных правил и норм при эксплуатации недр. Зачастую выполнение всех требований является довольно затратным и экономически невыгодным, что приводит к их частичному невыполнению, ухудшению состояния недр и экологическим проблемам.

Тем не менее непрерывный рост потребления минерального сырья повышает значение научно обоснованного, эффективного использования полезных ископаемых, требует от всех организаций и граждан бережного отношения к богатству недр. Иначе говоря, необходимы рациональное использование недр и их охрана.

Важно подчеркнуть также, что в наши дни растет значение научно обоснованного, эффективного использования полезных ископаемых, что требует от всех организаций и граждан бережного отношения к богатству недр. Иначе говоря, необходимы рациональное использование недр и их охрана, они должны рассматриваться не только в качестве источника полезных ископаемых или резервуара для захоронения отходов, но и как часть среды обитания человека.

Цель: изучение антропогенного воздействия на недра.

Задачи:

1. Рассмотреть проблему антропогенного воздействия на недра и его виды

2. Выяснить влияние добычи полезных ископаемых на недра

3. Выяснить природу наведенной сейсмичности

4. Изучить влияние захоронения отходов

5. Изучить проблему загрязнения подземных вод

6. Рассмотреть классы опасности химических загрязнений

Глава 1. Антропогенное воздействие на недра, источники

Воздействие горного производства на недра активизируется в условиях горных выработок, при извлечении полезных ископаемых, вмещающих и вскрышных пород, осушении и обводнении месторождений, захоронении вредных веществ. В результате изменяется напряженно-деформированное состояние массива, снижается качество полезных ископаемых и ценность месторождения, происходит загрязнение недр, сдвижение и обрушение пород.

Источники негативного влияния подразделяются на объективные и субъективные[8]. К объективным относятся:

1. Извлечение полезных ископаемых при помощи широкого спектра технологий и технических решений;

2. Изменение геологической среды вследствие антропогенного воздействия (например, взрывы при геофизических исследованиях и добыче сырья, перемещение в выработанном массиве отбитой горной массы);

3. Различные типы загрязнения геологической среды: гидрогеологические, геохимические, геомеханические, радиационные, геотермические;

4. Комплексные источники, которые представляют собой варьирующиеся комбинации перечисленных источников ущерба, наносимого недрам.

К субъективным источникам принадлежат:

1. Отсутствие достоверной, надежной, качественной информации о горно-геологической ситуации в районе, о запасах добываемого сырья, свойствах недр, несвоевременное ее получение и предоставление;

2. Отсутствие оперативного стационарного учета и контроля качества и количества ресурсов, извлекаемых для первичной переработки или отправки на склад, оставшихся запасов основных и сопутствующих полезных ископаемых, их минерального состава;

3. Превышение допустимых значений при разработке месторождений, предусмотренных проектами и планами работ, которые включают: параметры обустройства, вскрытия и подготовки; объем извлекаемых запасов; нарушение установленного порядка проведения работ, изменение схем проведения;

4. Нарушение документально закрепленных (в проекте или нормативно-правовых актах) схем и порядка консервации и ликвидации работы горного предприятия;

5. Необоснованная застройка площадей месторождений полезных ископаемых и/или нарушение порядка и сроков использования земель в иных целях;

6. Накопление и захоронение отходов у водосбора и в районах залегания подземных источников высокой питьевой и промышленной ценности;

7. Отсутствие согласия между действиями недропользователей, производящих работы на смежных или одних и тех же участках недр.

Однако классификации, составленные по таким признакам, получаются громоздкими, трудно используемыми и не раскрывающими источники и причины негативного влияния на недра, что препятствует полноценной разработке мер по уменьшению воздействий. Ухудшение качества георесурсов и усложнение условий их освоения ведут к снижению прибыли недропользователя, следовательно, и к уменьшению налоговых отчислений государству.

Поэтому в качестве основного классификационного признака часто принимается вид негативного влияния, наносимого собственнику недр, т.е. государству.

Глава 2. Виды воздействий на горные породы

Инженерно-хозяйственная деятельность оказывает влияние на горные породы не только в верхней части литосферы, но и в недрах. Массивы горных пород претерпевают изменения: сжатие, растяжение, сдвиг, вибрации и другие нагрузки. Данные процессы изучаются для прогнозирования их возможного развития и негативного влияния. Среди основных антропогенных нагрузок на породы выделяют статические и динамические нагрузки, тепловое воздействие, электрические воздействия [6].

Статистические нагрузки наиболее широко распространены. Основной их источник – здания и сооружения, нагрузки от которых достигают 2МПА и более, образуя зону активного преобразования пластов пород. Такая зона может иметь глубину до 100 м. Наиболее сильные изменения происходят:

1) в породах зоны вечной мерзлоты, в районах, где наиболее часто происходят оттаивание, пучение и иные механические процессы;

2) в сильно сжатых породах (заторфованные, илистые).

К динамическим нагрузкам относятся удары, толчки и иные нагрузки, возникающие при воздействии транспорта, ударной и вибрационной техники, заводских механизмов. Сильному воздействию подвергаются рыхлые неуплотненные породы (такие как пески, водонасыщенные лессовые породы, торф), чья прочность заметно снижается при нагрузках. Следовательно, они уплотняются, происходит нарушение их структурных связей, может произойти разжижение и образование обвалов, оползней и иных негативно влияющих процессов.

Отдельно выделяются взрывы, результат которых походит на сейсмическую активность. Горные породы взрывают при строительстве железных дорог и автодорог, плотин, разработке месторождений полезных ископаемых. Часто происходит нарушение природного равновесия, вследствие чего формируются оползни, обвалы. По данным А.А.Махорина, в одном из районов Кыргызстана в результате взрыва многотонного заряда при строительстве плотины на склонах сформировался район нарушения пород с трещинами, достигающими в ширину 1 м, а в длину 200 м. По таким трещинам произошло смещение слоев горных пород объемом в 30 тыс м3 [10].

Тепловое воздействие заключается в повышении температуры пород при подземной газификации угля. В данных зонах при температуре 1000-1600 градусов происходит спекание горных пород и полное изменение их свойств.

Тепловой поток от антропогенного воздействия оказывает влияние и на состояние подземных вод.

Электрическое воздействие при создании искусственного электрического поля в массивах горных пород становится причиной блуждающих токов и полей. Более заметны они на территории города, где плотность электрических источников высока, что ведет к изменению электрических свойств массивов горных пород до значительной глубины.

Все типы воздействий, в особенности в комплексе, создают значительное загрязнение природной среды всех уровней.

Наиболее ощутимыми являются динамические нагрузки.

Негативные преобразования в литосфере при антропогенном влиянии на недра разделяются на несколько групп:

-изменения рельефа: образование карьеров, терриконов, хвостохранилищ и отвалов;

-активизация опасных геологических процессов, таких как карст, оползни, оседание и сдвиг горных пород;

-изменение физических полей, в частности в зонах вечной мерзлоты;

-загрязнение химическими агентами.

Сильное влияние оказывают опасные геологические процессы, под которыми понимаются геологические и инженерно-геологические процессы и явления, реально или гипотетически оказывающее влияние на хозяйственные объекты, экосистемы, ресурсы геологического пространства.

Наиболее распространенные типы:

карстово-суффозионные процессы (развитие процессов карста и суффозии во взаимодействии);

каст – совокупность процессов растворения и выщелачивания горных пород, обусловленных деятельностью поверхностных и подземных вод с образованием различных форм рельефа при условии, что горные породы подвержены растворению. Выражается в их разрушении, формировании пещер и пустот, просадке, обрушении грунтов, изменении напряженного состояния пород, изменениями в химическом составе и режиме подземных потоков;

суффозия: процесс выщелачивания фильтрующейся водой мельчайших частиц из подверженных растворению пород, который сопровождается образованием пустот и полостей и ведет к просадочным деформациям вышезалегающих пород;

подтопление – процесс, возникающий при комплексном действии техногенных и естественных факторов, в результате которого происходит нарушение водного режима и баланса территории, что приводит к повышению уровня подземных вод до критических значений;

склоновые процессы – процессы, преобразующие и формирующие склоны, происходят под действием силы тяжести. Частицы грунта или блоки горных пород перемещаются вниз по склону, откладывая материал в нижней части склона и у его подножия;

эрозионные процессы - это явления, приводящие к разрушению горных пород и почв, которые обусловливаются как природными геологическими факторами, ведущими к изменению поверхности Земли, так и антропогенным воздействием на окружающую среду.

Глава 3. Добыча полезных ископаемых

Недра Земли являются важным источником сырья для всех видов промышленности, и, как следствие, источником роста благосостояния страны, особенно в условиях увеличения интенсивности и объемов освоения подземных ресурсов. В горнодобывающей промышленности обозначились следующие проблемы: истощение сырьевой базы, усложнение условий разработки в связи с изменением климата и геологических условий, превышение темпа извлечения над приростом имеющихся запасов, неблагоприятное географическое положение месторождений, низкий уровень технологического оснащения многих предприятий горной промышленности, нехватка инвестиций, негативные экологические последствия разработок.

Недостаточно спроектированное, неупорядоченное освоение запасов полезных ископаемых в недрах часто приводит к серьезным последствиям и убыткам, что видно на примере шахты «Западная-Капитальная» в Ростовской области. В результате плохой организации и контроля работ шахта была затоплена, что привело к потере вскрытых и готовых к выемке запасов угля в данной шахте. Соседние также пришлось закрыть ввиду их гидравлической связи с затопленной шахтой.

Добыча твердых ископаемых - добыча каменного угля, калийных солей и различных руд происходит как открытым способом с небольших глубин, так и закрытым с глубин в несколько сот метров и даже первых километров. Результаты, как правило, - изменение горного давления, уменьшение прочности горных пород, возникновение трещин бокового отпора. Растрескивание горных пород под воздействием несдерживаемых латентных напряжений и горные удары являются непременным сопровождением промышленной разработки месторождений. Эти явления также могут быть причислены к землетрясениям тектонической природы, хотя по характеру действия отличаются от обычных землетрясений. Горные удары характерны для угольных шахт и зависят от глубины – чем глубже очаг, тем больше интенсивность.

Техногенные объекты нарушают геологическую среду, а также, вкупе с последствиями нарушения, влияют на функционирование природного комплекса. Это выражается в разрушении структуры лессов, смешивании водовмещающих и водоупорных горных пород, изменении гидродинамического режима подземных вод, глубины залегания и водного баланса, направленности и скорости движения подземных вод.

Главные факторы ухудшения экологического состояния регионов с развитой горнодобывающей промышленностью: извлечение из недр полезных ископаемых, оседание и уплотнение подработанной толщи пород, обезвоживании водоносных горизонтов, нарушении взаимосвязи водовмещающих пород с естественным разрезом[5].

Добыча нефти и газа разрушает природное равновесие и механизмы естественных процессов в месторождении и залегающей толще пород, что сопровождается сейсмической активизацией, которая возможна как в виде слабых толчков, так и в виде катастрофических землетрясений.

Глава 4. Наведенная сейсмичность

Явление наведенной сейсмичности проявляется при добыче твердых и жидких полезных ископаемых. Процесс запускается при наличии шахт и разрезов в одном угольном бассейне на близком расстоянии друг от друга. Например, добыча угля на Кузбассе запускает наведенную сейсмичность в регионе, создавая значительное техногенное воздействие на недра. Ввиду этого в регионе была расширена сеть сейсмических станций для контроля за количеством толчков в области.

Процесс наведенной сейсмичности включает два типа – инициирование и возбуждение. Под инициированием понимается действие на очаг готового землетрясения. Под возбуждением – действие на часть земной коры, способствующее возникновению одного или цепи землетрясений, которые не произошли бы без подобного воздействия. Антропогенные факторы – создание крупных водохранилищ, промышленные и атомные взрывы, извлечение из недр запасов полезных ископаемых. До настоящего времени нет единой разработанной теории или модели, объясняющей процессы наведенной сейсмичности. Отмечается, что при разработке месторождений причинами сейсмичности становятся:

- применение флюидов

- изменение давления и температуры в недрах

- просадка поверхности

При разработке шахт по добыче твердых минеральных ресурсов нередки горные удары – внезапное взрывное разрушение выработок – которые сопровождаются сейсмическими волнами. Существуют также толчки. Например, на шахтах Североуральского рудника бокситов с 1981 года (когда была установлена сейсмометрическая аппаратура) приборы улавливают тысячи толчков с энергией от 102 до 109 Дж. Некоторые исследователи полагают, что проявление наведенной сейсмичности при разработке недр происходит из-за техногенного внедрения в энергонасыщенные пласты пород [7].

Глава 5. Захоронение отходов

Требования к полигонам захоронения ТБО закреплены в нормативных и директивных документах. Запрещающие факторы – особые гидрологические условия, уклоны местности, склонные к пучению грунты, провалы и закарстованные массивы, качество земельных ресурсов. Рекомендуемые почвы – глинистые или тяжелосуглинистые грунты, где грунтовые воды расположены на глубине более 2 м. Непригодны для захоронения участки с выходом грунтовых вод, затопляемые во время паводков территории, районы геологических разломов. Размеры зоны санитарной охраны и оборудование подбирается с учетом индивидуальных особенностей каждого конкретного участка [11].

При захоронении радиоактивных отходов требования связаны с классификацией отходов: высоко- и низкоактивные, долго- и короткоживущие и др.; и формой : жидкие или твердые. Технологические решения и методы направлены на решение основной задачи захоронения – надежной изоляции отходов от экосферы на время их потенциальной опасности. В настоящее время довольно много разработок, которым не хватает качественной практической реализации.

При поступлении на полигон промышленные токсичные отходы подразделяются на 13 групп согласно их физико-химическим характеристикам и допустимым методам переработки. Первостепенные среди них: шламы очистных сооружений; отходы, содержащие мышьяк; горячие органические отходы; ядовитые вещества, оказывающие сильное действие[3].

При размещении полигонов захоронения отходов должны учитываться территориальный признак, предусмотренная при разработке схем и проектов районная планировка. Полигоны необходимо размещать:

- на площадках, состояние которых позволяет осуществлять инженерные мероприятия и решения для предотвращения загрязнения окружающей среды;

- с подветренной стороны к населенным пунктам и зонам отдыха, ниже мест водозабора и рыболовного хозяйства;

- на землях, имеющих несельскохозяйственную специализацию либо непригодных для сельского хозяйства по характеристикам;

- на участках слабофильтрующих грунтов и залеганием грунтовых вод при небольшом подъеме – не менее 2 м от нижнего уровня захоронения.

Наиболее опасные радиоактивные отходы, ядерное топливо могут быть захоронены только под землей. Подходящие условия – массивы кристаллических пород, глины и соляные купола. Однако недавние исследования показали, что кристаллические массивы имеют множество трещин и нарушений, и под действием радиации и химических процессов их изоляционные и физико-химические свойства ослабевают. Глиняные породы также непригодны для создания надежных подземных хранилищ, в связи с тем, что превращения происходят даже при взаимодействии с низкоактивными радиоактивными отходами. Следовательно, в настоящее время основным и достаточно надежным барьером для загрязняющих недра радиоактивных и токсичных веществ являются инженерные барьеры.

Глава 6. Загрязнение подземных вод

Проблема загрязнения подземных вод в России возникла в XVI веке, когда сельское хозяйство получило стремительное развитие. Тем не менее, основные загрязнители – фенолы, нефтепродукты, цинк, медь, азот, ртуть и другие вещества, которые образуются как итог деятельности предприятий, расширения городов, развития разных видов промышленности. Таким образом, антропогенное воздействие является основной причиной снижения биосферных функций, изменения физического и химического состояния подземных вод [1].

Большинство источников загрязнения подземных вод среди их широкого спектра появились благодаря антропогенному воздействию. В грунтовые воды стекает фильтрат – токсичная жидкость, образующаяся при разложении органических отходов на свалках, в результате протечки в технологических резервуарах и трубопроводах; размещение шламохранилищ, терриконов, промышленных отходов, особенно от старых горных и химических предприятий. Вклад в загрязнение подземных вод вносит транспорт за счет оксидов, диоксидов и прочих вредных веществ из выхлопных газов, оседающих на почву. Атмосферные и снеговые воды, инфильтрующиеся через почву, также приносят загрязняющие вещества в потоки вод. Противогололедные смеси и соли на дороге снижают качество подземных вод. Бытовое обеспечение в виде коммунальных и энергетических мероприятий, а также сельского хозяйства оказывают сложное воздействие на качество и состояние грунтовых вод [4].

Среди других воздействий: изъятие песка с речного дна; распашка, в особенности целинных земель; строительство новых населенных пунктов, что сопровождается засыпкой долин речек и ручьев. Стоит отметить, что самоочищение и восстановление подземных водоемов происходит очень медленно.

Глава 7. Загрязнение ядовитыми веществами – классы опасности

Источники загрязнения неоднозначны по своим качественным и количественным показателям воздействия на окружающую среду. Основные – буровые растворы, буровые шламы, буровые сточные воды и различные реагенты. По степени опасности ядовитые вещества делят на 4 класса: 1-чрезвычайно опасные, 2-высокоопасные, 3-умеренно опасные, 4-малоопасные [9].

Таб.1. Классы опасности и предельно допустимые концентрации вредных химических реагентов и веществ

Реагент

Класс опасности

ПДК

в воде, мг/л

в воздухе, мг/3

Хроматы и бихроматы

1

0,01

Сода каустическая

2

120

0,5

Сода кальцинированная

3

120

2

Жидкое стекло

3

1

КМЦ

3

10

Полиакриламид

3

2

20

Сульфат аммония

3

2

10

Сернокислое железо

3

0,5

Хлористый кальций

3

300

5

Сырая нефть

3

0,3

Эмульсол

лесохимический

3

0,04

Сульфонол

3

0,1 – 0,2

Хлористый кальций

4

0,5

Омыленная смесь гудронов

4

Барит

4

6

Заключение

В ходе работы я рассмотрела проблему антропогенного воздействия на недра, источники и виды воздействий, степени влияния, узнала природу наведенной сейсмичности и классы опасности химических загрязнений. Выяснила, что ключевыми факторами являются: горнодобывающие работы, захоронение отходов в недрах, влияние зданий и сооружений на массивы пород, влияние транспорта и бытового обеспечения на состояние подземных вод.

В процессе работы мной была подобрана литература из библиотеки, электронных библиотечных систем.

Все поставленные цели и задачи были выполнены: я изучила антропогенные нагрузки на недра, химический состав опасных загрязнений и их источники, рассмотрела проблемы захоронения отходов и загрязнения подземных вод и сделала вывод, что изучение, прогнозирование и снижение антропогенных нагрузок на недра является одной из приоритетных задач настоящего времени.

Список литературы

1. Димакова Н.А., Шарапов Р.В. Проблема загрязнения подземных вод // Современные наукоемкие технологии – 2 – 2014 – с. 79-82

2. Еманов А.А., Еманов А.Ф., Лескова Е.В., Фатеев А.В. Одновременное воздействие открытых и подземных горных работа на недра и наведенная сейсмичность //Вопросы инженерной сейсмологии – 44 (4)– 2017 – с. 51-62

3. Кокосадзе А.Э. Экологические проблемы подземного захоронения опасных промышленных отходов // Горный информационно-аналитический бюллетень – 11 – 2015 – с. 160-164

4. Косолапов О.В. Техногенное воздействие на окружающую среду при освоении недр и реакция реципиентов // Известия Уральского государственного горного университета – 1(33) – 2014 – с. 48-53

5. Милетенко Н.А., Митишова Н.А. Негативное техногенное воздействие на недра при добыче полезных ископаемых // Вестник современной науки – 7 – 2015 – с. 117-121

6. Милетенко Н.А., Рульков Н.С. Классификация видов негативного влияния, причиняемого недрам при освоении георесурсов // Горный информационно-аналитический бюллетень – 11 – 2014 – с. 107-113

7. Мирзоев К.М., Лукк А.А., Николаев А.В., Юнга С.Л. Наведенная сейсмичность и возможности регулирования разрядки накопленных тектонических напряжений в земной коре // Физика Земли – 10 – 2014 – с. 49-68

8. Передельский Л.В., Коробкин В.И., Приходченко О.Е. Экология. – М.: Феникс, 2009 – 602 с.

9. Хотунцев, Ю.Л. Экология и экологическая безопасность –  М.: Академия, 2010 - 480 с.

10. Четверик М.С., Бубнова Е.А., Стеценко Н.М. Нарушение при горных разработках геологической среды и пути ее восстановления // Горный информационно-аналитический бюллетень – 12 – 2009 – с. 225-229

11. Шищиц И.Ю. Оценки экологической безопасности объектов подземного пространства – М.: Издательство Московского государственного горного университета –2009 – 202 с.

Просмотров работы: 296