Текст книги "Технологии рекультивации и обустройство нарушенных земель в Западной и Восточной Сибири"

Глава 2
Современное состояние рекультивированных породных отвалов угольных разрезов для использования в сельском хозяйстве

2.1. Геоэкологическая оценка внешних и внутренних отвалов на угольном разрезе «Бородинский»

С 1949 по 2014 г. угольным разрезом «Бородинский» проведены значительные по площади (приблизительно 30 км²) техногенные преобразования земной поверхности. В результате отработки угольных пластов создано выработанное пространство глубиной до 100 м. Последнее частично заполнено внутренними отвалами вскрышных пород (рис. 2.1). Дневная поверхность внутреннего отвала (500 га) в меньшей степени рекультивирована для сельскохозяйственного использования, на остальной (700 га) посажены деревья хвойных пород (сосна, ель).

На начальной и последующих стадиях отработки месторождения (до 1980 г.) на территории примыкающих к разрезу сельскохозяйственных угодий отсыпаны три внешних отвала (рис. 2.2), поверхности которых также рекультивированы для использования в сельском хозяйстве.

Площадь внешних отвалов, отсыпанных угольным разрезом «Бородинский» в 1960–1970-х гг. и впоследствии рекультивированных для сельскохозяйственного использования, составляет 211 га. В наших исследованиях каждому из трех отвалов присвоено условное название: «Южный», «Западный», «Северный». Площадь каждого 69, 38 и 104 га соответственно. Отвалы расположены в центральной части Рыбинского района Красноярского края.

Требованиями к рекультивированным землям в долгосрочном периоде (15–20 лет) оговаривается наличие следующих показателей: в случае сдачи земель под пашню – высокие уровни агрохимических показателей (содержание гумуса, питательных веществ, макроэлементов и т.п.), а также жесткие геометрические параметры рельефа поверхности сдаваемых земель; в случае сдачи земель под пастбище или сенокос – те же показатели, что и под пашню, а также создание соответствующего растительного покрова из технических культур (люцерна, донник и т.п.).

Рис. 2.1. Внутренний отвал разреза «Бородинский» со стороны западного нерабочего борта

Рис. 2.2. Расположение внешних отвалов угольного разреза «Бородинский», рекультивированных для использования в сельском хозяйстве

Основой для принятия решения о необходимости разработки и внедрения новых технологий рекультивации, а также систем управления качеством в рекультивации земель с использованием стандартов серии ISO 9000 должны служить результаты комплексных исследований прошлой деятельности угольных разрезов – «рекультивированные и сданные в хозяйственный оборот поверхности отвальных массивов».

Широкий ассортимент локального фитоценоза, произрастающего на них, сложный микрорельеф поверхности отвала, неизученный агрохимический состав рекультивированных почв – все это явилось основой для проведения комплексных исследований, конечная цель которых дать научно обоснованный ответ на вопрос, почему в настоящее время в районе с развитым земледелием ни один из рекультивированных отвалов не задействован в сельском хозяйстве.

В связи с этим на отвалах «Южный», «Западный» и «Северный» с мая 2007 г. по октябрь 2009 г. проводились комплексные исследования, включающие: определение агрохимических показателей плодородия почвенного слоя, как нанесенного на поверхности отвалов, так и находящегося в естественном природном состоянии; определение геометрических параметров микрорельефа поверхностей отвалов;

определение количества камней, находящихся на поверхностях отвалов; изучение структуры фитоценоза, произрастающего на территории отвалов; изучение особенностей поверхностей отвалов.

Привлекательность для научно-практического анализа именно этих отвалов объясняется тем, что отвалы расположены в районе с развитым земледелием, характеризуются значительными площадями рекультивированных поверхностей, значительной дисперсией по времени нанесения почвенного слоя.

Исследование агрохимических показателей и санитарно-токсикологических свойств почв рекультивированного отвала

Этот блок исследований проводили с привлечением специалистов и соответствующего лабораторного оборудования ФГУ «Станция агрохимической службы «Солянская» (Рыбинский район Красноярского края). Станция аккредитована Госстандартом РФ.

В приложении к аттестату оговариваются полномочия на проведение мониторинга рекультивированных земель с определением агрохимических свойств почв, концентрации тяжелых и токсичных элементов в почвах, физико-механических свойств и т. п.

Итак, на первом – предварительном – этапе размечены в натуре контуры исследуемой поверхности отвала площадью 69 га. Согласно основным положениям по планированию статистических выборочных наблюдений составлена малая 10 %-я выборка [21, 156]. В нее вошли 24 почвенных участка суммарной площадью 8 га.

На втором этапе проводили комплекс полевых работ. На выделенных почвенных участках, вошедших в выборку, прокладывали маршрутные ходы, вдоль которых по известным методикам по отраслевым рекомендациям составляли объединенные почвенные пробы [113]. В соответствии с [113] объединенная проба составляется из 30 точечных проб и отбирается с каждого гектара рекультивированной поверхности согласно ГОСТ 28168-89 и ГОСТ 17.4.4.02-84. Для выявления общей картины нанесенного почвенного слоя сделаны прикопы, вертикальные сечения которых представлены на рис. 2.3, 2.4.

Измерения мощности нанесенного почвенного слоя в диапазоне 35–40 см показали ее соответствие техническим условиям под пашню. Кроме того, были выявлены участки с мощностью нанесенного ПСП на уровне 22–25 см, что не соответствует техническим условиям сдачи земель под пашню (рис. 2.4).

В подпахотном горизонте обнаружены угольные конкреции размером от 1–2 до 15–20 см. Такая ситуация приведет в случае возделывания земель к выносу на поверхность угольной массы с глубины 25–30 см.

Площадь поверхности отвала с мощностью нанесенного ПСП 35–40 см составляет 62 % от общей площади рекультивированной поверхности. Оставшиеся 38 % площади приходятся на участки с мощностью ПСП от 15 до 25 см.

Пестрота плоскостей разрезов (рис. 2.3, 2.4) говорит о значительном засорении нанесенного плодородного слоя почвы (ПСП) подстилающими вскрышными породами. Такое засорение возникает за счет применения несовершенных технологий снятия почвенного слоя на техническом этапе рекультивации [45]. В результате применения тяжелых бульдозеров на снятии почвенных слоев происходит прирезка нижележащих вскрышных пород, засоряющих ПСП и снижающих в целом уровень агрохимических показателей последнего.

В замерах использовалась чертежная линейка длиной 40 см

Рис. 2.3. Вертикальные разрезы нанесенного плодородного слоя почвы на рекультивированном отвале, предназначенном для сельскохозяйственного использования (разрез «Бородинский»)

Рис. 2.4. Вертикальные разрезы нанесенного почвенного слоя на участках, не соответствующих требованиям ГОСТа

На третьем этапе в ходе лабораторных исследований определяли агрохимические показатели почв: органическое вещество (гумус), подвижные соединения фосфора и калия, емкость катионного обмена, валовые фосфор и калий, нитратный азот, аммонийный азот, общий азот,рН (КС1), в соответствии с ГОСТ 26213-91, 26204-91, 26205-91, 17.4.4.01-84, 26261-84, 26488-85, 26489-85, 26107-84, 26483-85. В отобранных почвенных образцах выявляли концентрацию тяжелых металлов-токсикантов. Основные показатели представлены в табл. 2.1.

Анализ изменения агрохимических показателей свидетельствует о снижении уровня содержания гумуса на 3,5 %, калия и фосфора соответственно на 2 и 9 единиц, а также об увеличении содержания физической глины с 35 до 48 % в рекультивированных землях относительно земель, находящихся в природном состоянии. Концентрация тяжелых металлов-токсикантов находится на уровне 25–35 % от ПДК, кроме мышьяка, уровень которого составляет примерно 50 % от уровня предельно допустимой концентрации.

Таблица 2.1

Показатели почв в естественном природном состоянии и после рекультивации

Исследование рельефа поверхности отвала

Согласно ГОСТ 17.5.3.04-83 планировка рекультивируемых земельных угодий для сельскохозяйственного использования должна обеспечивать производительное применение современной сельскохозяйственной техники. Генеральный уклон поверхности отвала задается в 2–3° от центра отвала к его периферийной части. После планировки поверхность отвала не должна содержать локальных понижений размером 1х1 м глубиной более 0,1 м.

Предварительный визуальный осмотр поверхности отвала выявил наличие множества локальных понижений, что говорит о значительной по площади эрозии. В этой связи для измерения геометрических параметров элементов микрорельефа, а также определения площади эрозии проводили соответствующие полевые работы, конечная цель которых определение соответствия рельефа поверхности сданного отвала техническим условиям. Результаты статистической обработки материалов проведенных полевых работ по обмеру элементов микрорельефа отражены в табл. 2.2.

В ходе выполнения полевых работ выявлено равномерное территориальное расположение понижений рельефа на всей исследуемой площади. Подобный микрорельеф делает практически невозможным передвижение сельскохозяйственной техники: пропашных тракторов с навесным и прицепным оборудованием и зерноуборочных комбайнов.

Таблица 2.2

Результаты исследования рельефа поверхности отвала

Исследование агрохимических показателей почв

На предварительном этапе на поверхности отвалов выносились контуры исследуемых участков, составляющих 10 %-ю выборку согласно основным положениям по планированию статистических выборочных наблюдений [2, 4, 53]. Всего обследовано 10 почвенных участков суммарной площадью 5 га. В состав полевых работ в этом блоке входило создание прикопов в верхнем почвенном слое, оформление их вертикальных сечений с целью получения фотоснимков, отбор почвенных проб для агрохимического исследования в соответствии с отраслевыми рекомендациями и по ГОСТ 28168-89, 17.4.4.02-84.

Общая картина нанесенного почвенного слоя фрагментарно представлена на рис. 2.5, 2.6. Установлено, что мощность нанесенного ПСП частично соответствует требованиям, предъявляемым к сельскохозяйственному направлению рекультивации. Максимальная мощность отвечает требованиям к созданию пахотных угодий, а минимальная мощность этим же требованиям не соответствует.

Площадь поверхности отвала с мощностью нанесенного ПСП 35–40 см составляет 47 % от общей площади рекультивированной поверхности. Оставшиеся 53 % площади приходятся на участки с мощностью ПСП от 25 до 30 см.

Пестрота плоскостей разрезов (рис. 2.5, 2.6) говорит о значительном засорении нанесенного плодородного слоя почвы (ПСП) подстилающими вскрышными породами. Такое засорение возникает за счет действия природных и технологических различных факторов.

Рис. 2.5. Вертикальные сечения плодородного нанесенного на участки поверхности отвала слоя почвы, соответствующие ГОСТу

В замерах использовалась чертежная линейка длиной 40 см

Рис. 2.6. Вертикальные сечения плодородного нанесенного на участки поверхности отвала слоя почвы, не соответствующие ГОСТу

На третьем этапе, в ходе лабораторных исследований, агрохимические показатели почв: органическое вещество (гумус), подвижные соединения фосфора и калия, емкость катионного обмена, валовые фосфор и калий, нитратный азот, аммонийный азот, общий азот, рН (КС1), определяли в соответствии с государственными стандартами на эти виды работ. Основные показатели представлены в табл. 2.3.

Анализ изменения агрохимических показателей указывает на снижение уровня содержания гумуса на 2,9 %, на снижение содержания калия и фосфора соответственно на 3 и 6 единиц, а также на увеличение содержания физической глины с 35 до 48 % в рекультивированных землях относительно земель, находящихся в природном состоянии.

Таблица 2.3

Агрохимические показатели почв в естественном природном состоянии и после рекультивации

Исследование рельефа поверхности отвала

Предварительный визуальный осмотр поверхности отвала выявил наличие множества локальных понижений, что говорит о значительной по площади эрозии. В этой связи для измерения геометрических параметров элементов микрорельефа, а также определения площади эрозии проводили соответствующие инструментальные полевые работы, конечная цель которых определение соответствия рельефа поверхностей сданных отвалов техническим условиям. Результаты статистической обработки материалов проведенных полевых работ по обмеру элементов микрорельефа представлены в табл. 2.4.

Таблица 2.4

Результаты исследования рельефа поверхности

На наш взгляд, поверхность отвала «Западный» является более благоприятной для прохода сельхозтехники, так как в целом ее рельеф достаточно спокойный, чего не скажешь о поверхностях отвалов «Южный» и «Северный». На территории последнего в ходе выполнения полевых работ выявлено равномерное территориальное расположение понижений рельефа на всей исследуемой площади. Подобный микрорельеф делает проблемным передвижение сельскохозяйственной техники в ходе земледельческих работ: пропашных тракторов с навесным и прицепным оборудованием и зерноуборочных комбайнов.

Исследование агрохимических показателей почв

На предварительном этапе на поверхности отвалов выносили контуры исследуемых участков, составляющих 10 %-ю выборку согласно основным положениям по планированию статистических выборочных наблюдений. Всего обследовано 40 почвенных участков суммарной площадью 10 га.

В состав полевых работ в этом блоке входили: создание прикопов в верхнем почвенном слое, оформление их вертикальных сечений с целью получения фотоснимков, отбор почвенных проб для агрохимического исследования в соответствии с отраслевыми рекомендациями и по ГОСТ 28168-89, 17.4.4.02-84. Общая картина нанесенного почвенного слоя фрагментарно изображена на рис. 2.7, 2.8.

Установлено, что мощность нанесенного ПСП частично соответствует требованиям, предъявляемым к созданию пахотных угодий. Максимальная мощность отвечает требованиям к созданию пахотных угодий, а минимальная – этим же требованиям не соответствует.

Площадь поверхности отвала с мощностью нанесенного ПСП 35–40 см составляет 35 % от общей площади рекультивированной поверхности. Оставшиеся 65 % площади приходятся на участки с мощностью ПСП от 10 до 25 см.

Пестрота плоскостей разрезов говорит о значительном засорении нанесенного плодородного слоя почвы (ПСП) подстилающими вскрышными породами.

На третьем этапе, в ходе лабораторных исследований, агрохимические показатели почв: органическое вещество (гумус), подвижные соединения фосфора и калия, емкость катионного обмена, валовые фосфор и калий, нитратный азот, аммонийный азот, общий азот, рН (КС1), определяли в соответствии с государственными стандартами на эти виды работ. Основные показатели представлены в табл. 2.5.

Рис. 2.7. Вертикальные сечения плодородного нанесенного на участки поверхности отвала «Северный» слоя почвы, соответствующие ГОСТу

В замерах использовалась чертежная линейка длиной 40 см

Рис. 2.8. Вертикальные сечения плодородного нанесенного на участки поверхности отвала «Северный» слоя почвы, не соответствующие ГОСТу

Анализ изменения агрохимических показателей указывает на снижение уровня содержания гумуса на 3,3 %, на снижение содержания калия и фосфора соответственно на 9 и 12 единиц, а также на увеличение содержания физической глины с 35 до 49 % в рекультивированных землях относительно земель, находящихся в природном состоянии.

Исследование рельефа поверхности отвала

Предварительный визуальный осмотр поверхности отвала выявил наличие множества локальных понижений, что говорит о значительной по площади эрозии. В этой связи для измерения геометрических параметров элементов микрорельефа, а также определения площади эрозии проводили необходимые инструментальные полевые работы, конечная цель которых определение соответствия рельефа поверхностей сданных отвалов техническим условиям. Результаты статистической обработки материалов проведенных полевых работ по обмеру элементов микрорельефа даны в табл. 2.6.

Таблица 2.5

Агрохимические показатели почв в естественном природном состоянии и после рекультивации

На территории отвала при выполнении полевых работ выявлено равномерное территориальное расположение понижений рельефа на всей исследуемой площади. Подобный микрорельеф делает проблемным передвижение сельскохозяйственной техники в ходе земледельческих работ: пропашных тракторов с навесным и прицепным оборудованием и зерноуборочных комбайнов.

Итак, внешние отвалы, рекультивированные угольным разрезом «Бородинский», в таком состоянии, в котором они находятся сегодня, экономической ценности для агропромышленного комплекса не представляют, вследствие этого ни один из отвалов в сельском хозяйстве не используется. Рекультивированные поверхности отвалов общей площадью 224 га характеризуются низкими агрохимическими показателями, наличием на поверхности камней, сложным волнистым микрорельефом, а также имеющейся на них растительностью сорнякового ряда. По нашим оценкам, для ввода в эксплуатацию этих отвалов необходимы ресурсные вложения, в ценах 2014 г. составляющие в денежном выражении 122,0 млн руб.

Таблица 2.6

Результаты исследования рельефа поверхности отвала

Общая характеристика отвала

Внутренний отвал разреза «Бородинский» отсыпается в четыре яруса суммарной высотой 70–80 м. Нижний ярус создается по двум технологиям: частично по бестранспортной технологии путем перемещения драглайном ЭШ-10/70 породной пачки, разделяющей основной угольный пласт и нижележащий пласт-спутник; образующиеся гребни засыпаются сверху вскрышными породами, доставляемыми на отвал в железнодорожных думпкарах 2ВС-105 тепловозами ТЭМ-7 (рис. 2.9).

Второй от почвы угольного пласта отвальный ярус перекрывает нижний и является действующим – рабочим. Технология его создания предусматривает доставку вскрышных пород железнодорожным транспортом и отсыпку карьерным экскаватором ЭКГ-10. На его поверхности расположены два отвальных тупика.

Рис. 2.9. Фрагмент отсыпки нижнего яруса внутреннего отвала вскрышных пород в условиях комбинации технологий отвалообразования (разрез «Бородинский», октябрь 2009 г.)

Третий (промежуточный) и четвертый (верхний) отвальные ярусы находятся в стационарном положении. В эти ярусы вскрыша больше не вывозится. Поверхность третьего яруса рекультивирована разрезом путем высадки практически на всей ее площади хвойных пород деревьев (сосна, ель).

Высота сухостойной травы соизмерима с высаженными на отвал соснами. Вполне естественным является искусственный уход за высаженными деревьями в начальный период, длящийся с момента их высадки на протяжении 4–5 лет. На фотографии также хорошо видно, что на разрезе не занимаются скашиванием травы, произрастающей на поверхности отвального яруса, т.е. высаженные деревья не получают необходимого ухода. Такая ситуация крайне опасна в случае возгорания сухой травы и может привести к полному уничтожению высаженных на отвале молодых деревьев.

Для наших исследований научно-практическую ценность представляет поверхность четвертого – верхнего – яруса внутренних отвалов, поскольку она рекультивирована под пахотные угодья. Пашня в хозяйственной деятельности общества позиционируется как основной элемент в современном земледелии и находится на первом месте в системе факторной экономики.

Результаты агрохимического обследования почв

Отбор образцов, нанесенных на поверхность отвала почв, проводили в сентябре-октябре 2009 г. Выборка, согласно которой производился отбор почвенных образцов, составила 2 % от площади исследуемой территории. На площади 10 га были созданы вертикальные прикопы, размеры которых в плане равны 1,0х1,0 м, а их глубина – 0,5 м (рис. 2.10).

Вертикальной плоскости, ориентированной на север, придавалась ступенчатая форма. Размер верхней ступени в вертикальной плоскости 25 см, что соответствует глубине пахотного слоя в случае возделывания поверхности отвала земледельческими предприятиями. Нижняя ступень высотой 15 см выделена в отдельный так называемый подпахотный горизонт. Суммарная высота ступеней или глубина прикопа 40 см; это не что иное, как мощность нанесенного плодородного слоя почвы при условии рекультивации земель под пашню согласно ГОСТам. В каждом прикопе была обследована его вертикальная плоскость, ориентированная на юг (рис. 2.10).

Примечание: справа – верхняя ступень измерена линейкой 25 см, нижняя – 15 см, слева – обратная плоскость прикопов измерена линейкой 40 см.

Рис. 2.10. Фрагменты вертикальных сечений нанесенного плодородного слоя почвы: слева – ступенчатая плоскость ориентирована на север, справа – на юг

На фрагментах сечений хорошо видно, что мощность нанесенного в ходе технического этапа рекультивации плодородного слоя почвы варьирует в диапазоне от 10 до 15 см. Ниже нанесенного почвенного слоя располагается горизонт, представляющий собой смесь разных грунтов, состоящую из обломочного материала горельниковых пород, некондиционного угля, мелких каменистых включений, попадающихся в толще покрывающих угольный пласт вскрышных пород. Размеры фракции внесенного в почвы угля находятся в диапазоне от 1–3 до 15–23 см. Причем удельный вес угля в удаленной из прикопа грунтосмеси, по нашей оценке, составлял 25–60 % от общего объема.

Пестрота вертикальных поверхностей прикопов говорит о значительном засорении нанесенных на поверхность отвала почв подстилающими вскрышными породами в ходе выполнения работ на техническом этапе рекультивации. Результаты агрохимического исследования почв, нанесенных на поверхность внутреннего отвала, представлены в табл. 2.7.

Рельеф поверхности

Поверхность верхнего яруса отвала в ходе исследований была поделена условно на два сектора. Основой такого деления послужило различие в геометрических размерах микрорельефа складок изучаемой территории.

Северный сектор отвала условно выделен от южной границы промышленной площадки до временной автомобильной дороги, разделяющей поверхность отвала, как было отмечено выше, на два сектора и проходящей в направлении с запада на восток. Геометрические измерения элементов рельефа этого сектора указали на следующие закономерности: рельеф в целом выдержан – мелковолновой эрозии не наблюдается. Вместе с тем обнаружены крупные складки рельефа размером 50х120х1,2 м. Количество таких складок незначительно.

Поверхность сектора, находящегося южнее автодороги, характеризуется наличием множества мелких складок, рельеф поверхности этого сектора мелковолнистый. Это обстоятельство делает проблемным проход сельхозтехники в случае вовлечения в сельскохозяйственный оборот этой части отвала.

В целом, по результатам исследований было сделано заключение о невозможности использования в таком виде поверхности отвала в земледелии. При вовлечении в сельскохозяйственный оборот поверхности отвала необходимы масштабные ресурсные вложения в доведение мощности почвенного слоя до уровня, регламентируемого ГОСТом. В объемном измерении это нанесение 1,25 млн м3 плодородного слоя почвы.

Таблица 2.7

Показатели почв в естественном природном состоянии и после рекультивации