2 августа 2016

 

А.Г. ШАПАРЬ, д-р техн. наук, чл.-кор. НАН Украины, директор Института проблем природопользования и экологии НАН Украины (Днепропетровск, Украина)

 

Глобальные экологические проблемы и вклад в них горнодобывающего комплекса

Человек в природной экосистеме является одним из биологических видов, функционирующих в окружающей природной среде и поддерживающих равновесие в обменных процессах. С другой стороны, он творец искусственной надстройки — социума и этим вносит существенные изменения в те же самые процессы. Природная среда выступает средой его проживания, параметры которой им постоянно корректируются с целью удовлетворения биологических и постоянно возрастающих социальных потребностей. Под воздействием природных процессов эти превращения среды длятся тысячи и даже сотни тысяч лет. При наложении на природные процессы техногенных воздействий, масштаб которых в последние 100 лет стал сопоставим с природными геологическими силами, скорость указанных превращений возрастает на несколько порядков. Примерами могут служить деградация Аральского моря, опустынивание Калмыкии, подтопление земель в Украине.

 

По масштабности и комплексности отрицательного воздействия на все компоненты окружающей среды одно из первых мест занимает горнодобывающая промышленность. В результате добычи полезных ископаемых меняется ландшафт территории (при открытом способе возникают выемки в земной коре объемом до 300—500 млн м³, отвалы высотой до 100 м, при подземном способе — зоны обрушения с просадкой от 2—5 м до 100 м); нарушается гидрогеологический режим подземных вод (радиус депрессионных воронок достигает 8—15 км); загрязнение пылью распространяется от 500 м до 10 км; из-за фильтрационных потерь происходит подтопление и засоление земель. Например, при добыче 1000 т железной руды в Кривбассе отчуждается и часто безвозвратно теряется 40 м² земельных угодий, увеличивается площадь подтопленных территорий на 30—50 м², сбрасывается до 1000 м³ высокоминерализо-ваных вод из шахт и карьеров, выбрасывается в атмосферу 2—2,5 т пыли и 1,4—1,8 т вредных газов.

 

Суммарные выбросы в горнодобывающей отрасли области составляют 57 тыс. т в год, сброс загрязненных вод — 125 млн м³, площадь нарушенных земель — 37 тыс. га.

 

Поскольку до 40% валютных поступлений Украины обеспечивается экспортом горнорудной и металлургической продукции, важнейшее значение приобретают перспективы развития минерально-сырьевого комплекса.

 

Неисчерпаемость минерально-сырьевых ресурсов

Принято считать, что минеральное сырье относится к невозобновляемым ресурсам. Из этого следует, что чем меньше и медленнее будут вводиться в эксплуатацию невозобновляемые ресурсы, тем проще обеспечить выполнение принципов устойчивости. И не только потому, что срок их исчерпания будет отодвинут. С целью обеспечения возрастающих потребностей человек станет проникать на все большие глубины, разрушая сформировавшееся равновесие во всех геосферах (атмосфера, гидросфера, литосфера). Однако воздействие на геосферы будет растянуто во времени и к нему будет легче приспособиться или найти решение для обеспечения защиты жизнедеятельности.

 

Понятие невозобновляемости минеральных ресурсов привело значительную часть ученых (философов, социологов, демографов) к выводу, что на определенном этапе развития человечество подойдет к глобальному кризису, вызванному не только нехваткой возобновляемых ресурсов, но и полной исчерпаемостью невозобновляемых ресурсов, в первую очередь энергетических.

 

За последние 100 лет человечество потребило столько минеральных ресурсов, сколько за всю предшествующую историю своего развития. Несмотря на наличие периодов спада, в целом мировая тенденция добычи полезных ископаемых характеризуется постоянным ростом. Если за этот период объем добычи драгоценных металлов возрос всего лишь в 1,5—3 раза, то для большинства других металлов он увеличился в 5—10 и даже 50—100 раз [1, 2]. Особенно высокими темпами росла добыча энергоресурсов, в СССР она росла от 20 раз (уголь) и до 250 раз (газ) (таблица). Характерно, что в начале ХХ столетия почти половина потребностей Российской империи в энергоресурсах удовлетворялась за счет возобновляемых ресурсов (дрова, торф, гидро-и ветровая энергия). В дальнейшем их роль неоправданно снизилась, изменилась структура энергопотребления, повысилась неравномерность освоения территорий и, как следствие, их техногенная нагрузка.

 

Динамика производства первичных топливно-энергетических ресурсов за период 1913-1990 гг.

Годы	Уголь		Нефть		Газ		Торф		Сланцы		Дрова		Всего, млн тут
	млн тут	% к сумме	млн тут	% к сумме	млн тут	% к сумме	млн тут	% к сумме	млн тут	% к сумме	млн тут	% к сумме
1913	23,1	48	14,7	30,5	—	—	0,7	1,4	—	—	9,7	20,1	48,2
1940	140,5	59,1	44,5	18,7	4,4	1,8	13,6	5,7	0,7	0,3	34,2	14,4	237,9
1950	205,7	66,1	54,2	17,4	7,3	2,3	14,8	4,8	1,3	0,4	27,9	9	311,2
1960	373,1	53,9	211,4	30,5	54,4	7,9	20,4	2,9	4,8	0,7	28,7	4,1	692,8
1970	432,7	35,4	502,5	41,1	233,5	19,1	17,7	1,5	8,8	0,7	26,6	2,2	1221,8
1980	476,9	25,2	862,6	45,5	514,2	27,1	7,3	0,4	11,8	0,6	22,8	1,2	1895,6
1985	455,8	22,7	851,3	39,8	759,9	35,6	5,5	0,3	10,2	0,5	23,6	1,1	2136,3
1990	425,5	19,2	816,2	36,9	937	42,4	3,8	0,2	8,6	0,4	18,9	0,9	2211

 

Высокие темпы потребления минеральных ресурсов и низкий прирост их запасов в середине ХХ столетия укрепили позиции сторонников быстрого истощения запасов сырья, особенно энергоносителей. Уже к началу ХХ1 столетия некоторые ученые и целые институты предсказывали энергетическую катастрофу и всеобщий минерально-сырьевой кризис. Однако мы являемся свидетелями, что эти мрачные прогнозы не сбылись и, как будет показано ниже, не сбудутся. Прежде всего потому, что использованные ресурсы никуда не исчезают, а в виде химических элементов рассеиваются в окружающей среде и при определенных условиях и затратах могут быть извлечены из природной среды в любом нужном количестве. Кроме того, месторождения с высокими потребительскими качествами полезных ископаемых далеко не все исчерпаны. Например, Национальный разведывательный совет США в своих прогнозах развития международного сообщества до 2015 г. отмечает, что до 80% нефти и до 95% газа еще находится в недрах Земли [3].

 

Основные тенденции в развитии минерально-сырьевой базы на перспективу

Своевременное и в достаточных количествах выделение средств на разведку дефицитных видов ресурсов всегда приводило к открытию богатейших месторождений. Например, во второй половине ХХ столетия были открыты богатые месторождения железа в Бразилии и Австралии, марганцевой руды в Габоне, нефти в Северном море и Сибири, алмазов в Якутии и золота в Узбекистане. Огромные перспективы расширения минерально-сырьевой базы открываются при освоении нетронутых богатств полиметаллических руд на дне океанов.

 

Наукоемкость технологий добычи и обогащения полезных ископаемых значительно выросла и продолжает расти, что позволяет вовлекать в эксплуатацию месторождения с более низким содержанием полезных компонентов. Например, если в 1940 г. в Кривбассе добывали руды с содержанием железа 62—67%, то во второй половине прошлого столетия все ГОКи этого бассейна проектировались на рудах с содержанием железа всего 32—37%. В последнее время все чаще применялась так называемая повторная разработка участков месторождений, которые ранее были оставлены в недрах в виде целиков из-за низких кондиций или попали в зоны обрушения.

 

Становится перспективным вовлечение в эксплуатацию накопленных отходов обогащения, содержание полезных компонентов в которых приближается к промышленным кондициям. Только в Кривбассе накоплено отходов обогащения с содержанием общего железа 15—17% — 1670 млн м³, а в Никопольском бассейне — шламов с содержанием марганца до 20% — 217 млн м³. Положительный опыт вовлечения в эксплуатацию шламов имеется на Центральном ГОКе, где в отдельные периоды до 50% потребности в руде удовлетворяется за счет разработки созданного в шламохранилище техногенного месторождения с содержанием железа до 20% и общими запасами около 60 млн т. Практически на всех металлургических заводах шлаковые отвалы вовлечены в переработку, поскольку содержат отходы выплавки металла. Почти повсеместно отходы предприятий по добыче драгоценных и редких металлов вовлекались в повторную переработку. Появились научные разработки по целенаправленному формированию залежей с повышенным содержанием полезных компонентов путем физико-химического воздействия на массив [4].

 

Чаще стала применяться попутная добыча полезных ископаемых и комплексная переработка руд, что значительно расширило минерально-сырьевую базу. На марганцево-рудных ГОКах попутная добыча бентонитовых глин позволила ввести в эксплуатацию два завода керамзитового гравия с производительностью по 300 тыс. м³/год каждый. На Вольногорском горно-металлургическом комбинате внедрена схема глубокого обогащения, что позволило дополнительно извлечь некоторые компоненты и расширить диапазон выпускаемой продукции.

 

В последние годы усовершенствована система разработки месторождений, в результате чего полнота выемки полезных ископаемых повышена почти на 30%. При разработке угольных месторождений освоена технология разработки тонких и сверхтонких пластов. При разработке марганцево-рудных месторождений, бурого угля и огнеупорных глин переход на открытую разработку снизил кондиции по мощности пласта в два и более раз и позволил применить подбортовую выемку, что только в условиях Марганецкого ГОКа обеспечило выемку дополнительно более 1 млн т руды.

 

Тотальное снижение ресурсопотребления снижает остроту обеспеченности ресурсами. Международный нефтяной кризис дал мощный импульс к созданию энерго- и ресурсосберегающих технологий. Например, в США удельное энергопотребление в различных отраслях уменьшилось на 24—45%. Многие страны в этом плане имеют большие резервы. В Украине уровень энергопотребления в пересчете на нефтяной эквивалент составляет 3180 кг (Польша — 2400 кг, Испания — 2458 кг, Австрия — 3300 кг, Великобритания — 3778 кг), а расход энергоресурсов на единицу продукции в 4—10 раз выше по сравнению с указанными странами. Кроме того, в развитых странах до 10—20% потребностей в энергоресурсах удовлетворяется за счет возобновляемых источников (ветроэнергетика, солнечные батареи, биогаз), использования метана природного и техногенного происхождения и т. п.

 

В связи с дефицитом некоторых ресурсов наметилась устойчивая тенденция перехода в сфере производства от традиционных материалов на их альтернативные заменители (алюминий, пластмасса, каменное литье и т. п.). Например, при производстве современных автомобилей до 30% металлоемких деталей изготовляется из заменителей. Уже имеется опыт искусственного синтезирования ряда минералов, а в перспективе с освоением нанотехнологий это направление ресурсного обеспечения будет активно развиваться.

 

Таким образом, приведенные тенденции расширения минерально-сырьевой базы свидетельствуют, что проблемы исчерпаемости ресурсов объективно не существует. Вместе с тем недостаточное развитие какого-либо из направлений хозяйственной деятельности или чрезмерное потребление может создать дефицит отдельных видов минерального сырья. В связи с этим особое значение приобретает развитие теоретических основ прогнозирования уровня развития общества и его потребностей, техники и технологии производства продукции соответствующего количества и качества на конкретном этапе развития, обеспеченности разведанными запасами различных минеральных ресурсов во времени, а также соответствия технологии добычи и обогащения полезных ископаемых их качеству с учетом экологических последствий освоения месторождений. Получение такой информации на основе научного прогнозирования позволит обществу своевременно и в нужном количестве выделять средства для опережающей разведки требуемых по качеству и условиям залегания месторождений, создания эффективных технологий извлечения необходимых ресурсов из окружающей среды. В этом случае горная наука и техника будут развиваться не столько для удовлетворения нынешних запросов горнодобывающей промышленности, сколько работать на потребности научно предсказанного будущего. Поэтому особое значение приобретают методы научного прогнозирования и исследование с их помощью различных проблем горной отрасли.

 

Тенденции в создании перспективных эколого-ориентированных технологий добычи полезных ископаемых

Наличие месторождения полезных ископаемых требуемого качества не гарантирует того, что оно может быть вовлечено в эксплуатацию. Для этого необходимо благоприятное сочетание конъюнктуры рынка, доступности месторождения, наличия конкурентоспособных технологий добычи и обогащения полезных ископаемых, обеспечивающих прогнозируемые последствия их применения для окружающей среды. Эти последствия при достигнутом уровне техники и технологии тем масштабнее, чем беднее становятся вовлекаемые в эксплуатацию месторождения, поскольку для поддержания достигнутого уровня потребления того или иного ресурса придется извлекать все большее количество полезного ископаемого и проникать в недра на все большую глубину, многократно увеличивая отрицательные последствия для окружающей среды. Одним из основных требований к созданию эколого-ориентированных технологий должна стать закладка выработанного пространства при подземном способе и внутреннего отвалообразования при открытом способе разработки. Как показали исследования по Западному Донбассу и Крив-бассу [5], переход на такие технологии, несмотря на некоторое увеличение себестоимости добычи, с общенациональных позиций является единственно приемлемым. Перспективным может быть создание подземных ГОКов, в том числе при добыче общераспространенных полезных ископаемых с полной утилизацией отходов производства в недрах.

 

Весьма важным с экологической точки зрения является реализация принципа изоляции выработанного пространства карьеров и шахт от водоносных горизонтов вместо откачки и сброса высокоминерализованных вод в поверхностные водоемы, поскольку использование старых технологий приведет к деградации и в перспективе к потерям значительных площадей земельных угодий.

 

В старопромышленных горнодобывающих регионах с помощью запретительных и поощрительных экономических механизмов необходимо снизить темпы добычи полезных ископаемых из недр и стимулировать их извлечение из отходов обогащения и некондиционных полезных ископаемых. С этой целью необходимо разрабатывать и внедрять технологии формирования техногенных месторождений с заданными параметрами.

 

Важную роль в решении экологических проблем при разработке крутопадающих месторождений будут играть технологии с внутренним отвалообразованием, включая как засыпку ранее отработанных карьеров, так и послойную разработку с многократной перевалкой или перевозкой вскрышных пород внутри карьера. Как показали исследования, число таких перевозок может достигать шести-семи; при этом уменьшается расстояние транспортирования вскрышных пород, сокращается землеемкость и снижаются выбросы загрязняющих веществ в атмосферу. В Кривбассе эти технологии внедрены повсеместно, разработан нормативный документ по их проектированию, и они официально отнесены к эколого-ориентированым.

 

Широкое применение должны получить технологии прибортовой выемки, когда без разноса бортов под нижним уступом вскрывается полезное ископаемое на небольшом фронте работ и осуществляется его выемка; может применяться также шнекобуровая выемка.

 

Особо следует остановиться на реабилитации земель, нарушенных горными работами. В Кривбассе и других горно-рудных бассейнах площади нарушенных земель составляют тысячи гектаров и представлены нерекультивированными отвалами, щламохранилищами, старыми карьерами и зонами обрушения. Возникшая на них растительность является следствием природного самозарастания с разной интенсивностью. Предприятия за эти земли платят налоги, средства идут в бюджет местных и региональных советов, а также в государственный экологический фонд. Закон Украины об экологической сети позволяет брошенные земли использовать как элементы этой сети, формируя на ограниченной территории разнообразные ландшафты (озеро в карьере, склоны на откосах отвалов и карьеров, равнинные участки между ними) и создавая уникальные возможности для восстановления биологического разнообразия. Для реализации этой идеи предлагается создать на отдельных участках заказники местного значения, что освободит предприятия от части налогов и позволит направить сэкономленные средства на развитие заказников, которые смогут выполнять функции научно-исследовательских, природоохранных и просветительских структур. Заинтересованность предприятий будет базироваться на том, что заказники останутся на их балансе. Накопленный опыт на заказнике Визирка, созданном на нарушенных горными работами землях Ингулецкого ГОКа, подтверждает эффективность такой формы природоохранной деятельности.

 

Наука и практика горного производства располагают достаточно большим пакетом предложений по обеспечению малоотходности и ресурсосбережения [6]. Безусловно, внедрение рассмотренных предложений потребует на первых порах затрат, и иногда достаточно существенных, однако другой альтернативы сохранения окружающей среды, приемлемой для обеспечения устойчивого развития общества, не существует.

 

Список литературы

1. Шапарь А.Г., Копач П.И.Исчерпаемость минеральных ресурсов, целесообразность и условия их ввода в эксплуатацию // Открытые горные работы. 2000. № 4.
2. Природные ресурсы и окружающая среда. Достижения и перспективы. Из-во МЦНТИ. 1987. Вып. 58.
3. Глобальные тенденции развития человечества до 2015 г. Материалы Национального разведывательного совета сШа. Екатеринбург: У-ФАКТОРИЯ. 2002.
4. Пешков А.А., Мацко Н.А., Михайлов А.Г., Брагин В.Н. Перспективные горные мегатехнологии // Экология и природопользование: Сб.научных трудов ИППЭ НАН Украины. Днепропетровск. 2005. Вып. 8. С. 90-94.
5. Шапарь А.Г., Дриженко А.Ю., Полищук С.З. и др. Ресурсосберегающие технологии добычи полезных ископаемых на карьерах Украины. Киев: Наукова думка 1998.
6. Трубецкой К.Н., Шапарь А.Г. Малоотходные и ресурсосберегающие технологии при открытой разработке месторождений. М: Недра. 1993.

 

Статья взята из журнала «Строительные материалы»