Обоснование способов использования отходов камнепиления известняков - ракушечников для рекультивации нарушенных земель

На правах рукописи

Муталибова Гавахират Кадировна

Обоснование способов использования отходов камнепиления

известняков - ракушечников для рекультивации нарушенных земель

Специальность 06.01.02 – Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва 2007

Работа выполнена в Московском государственном университете природообустройства

Научный руководитель – кандидат технических наук, доцент,

Федор Михайлович Зимин.

Официальные оппоненты:

доктор сельскохозяйственных наук, профессор,

Белобров Виталий Петрович.

кандидат технических наук, старший научный сотрудник,

Валерий Михайлович Яшин.

Ведущая организация – Министерство сельского хозяйства Республики Дагестан

Защита состоится 22 мая 2007 г. в « 1500 » часов на заседании диссертационного Совета Д. 220.045.01 в Московском государственном университете природообустройства по адресу: 127550, Москва, ул. Прянишникова, 19, аудитория 1/201. Факс 976-10-46

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета природообустройства.

Автореферат разослан 13 апреля 2007г.

Ученый секретарь

Диссертационного Совета к.т.н. Т. И. Сурикова

Общая характеристика диссертационной работы

Актуальность проблемы. Строительство является одним из мощных антропогенных факторов воздействия на окружающую среду. По объему твердых отходов в виде разрабатываемых грунтов, а также образующихся отходов и остатков стройматериалов, строительство занимает приоритетное место среди загрязнителей окружающей среды. Антропогенное воздействие строительства разнообразно по своему характеру и происходит на всех этапах строительной деятельности - начиная от добычи строительных материалов и кончая утилизацией строительных отходов от сноса зданий и сооружений.

Строительное производство потребляет большое количество камня, щебня, песка, глины, извести, и других ископаемых сырьевых ресурсов, извлекаемых из недр открытым способом (из 7,2 тыс. карьеров в нашей стране 90 % приходится на строительные карьеры). Предприятия промышленности строительных материалов добывают свыше 20 видов полезных ископаемых, занимая ежегодно 15 тыс. га земли.

При открытой добыче разрушаются и уничтожаются почвенный и растительный покровы, изменяется водный режим, загрязняются воздух вода и почва (особенно при буровзрывных работах); уходят с территории животные и птицы исключаются из сельскохозяйственного производства большие площади земли, используемые непосредственно под карьеры, подъездные пути к ним и под отвалы вскрышной породы. Крупные карьеры минерального строительного сырья уничтожают почвы на значительных площадях и вызывают эффект гидрогеологической депрессионной воронки, в результате чего понижается уровень подземных вод на территориях в 10 – 15 раз превышающих площадь открытых разработок.

Подобными карьерами являются карьеры горных пористых пород, которые на территории бывшего СССР определены с общими балансовыми запасами более 14 млрд. м3. Около половины запасов приходится на долю карбонатных пород. Эти месторождения, как правило, удобны для открытых разработок и расположены вблизи населенных мест. Большинство пористых известняков и известняков-ракушечников имеют третичный возраст. Общим для всех пород являются: пористая структура, наличие связующего между зернами, значительная кристаллизация материала и сравнительно однородный химический состав.

Пористые известняки и известняки-ракушечники располагаются в основном в районах Северного Кавказа, Закавказья. В Ростовской области зарегистрировано более 100 месторождений известняков-ракушечников, в Дагестане более 30, несколько крупных месторождений имеется в Краснодарском и Ставропольских краях, Астраханской области и в Калмыкии.

Балансовые запасы карбонатных пород: Северо–Кавказский район 49 месторождений – 279 млн. м3; Дагестан – около 30 крупных месторождений. Запасы только одного месторождения (Дагестан – Таркитаусское месторождение) составляют 50 миллионов метров кубических (115 миллион тонн), плотность 2 – 2,6 т /м3, прочность при сжатии 3,8 – 40 МПа.

На базе этих месторождений в карьерах ведется добыча пильного стенового камня. При этом образуется около 40-50 % отходов в виде бута, щебня, песка и тонких пылевидных материалов с высоким содержанием СаСО3. Анализ накопленного опыта использования отходов камнепиления показывает, что эти отходы могут использоваться в качестве заполнителей в легких бетонах, тонкие фракции в сельском хозяйстве для известкования кислых почв и для рекультивации загрязненных земель.

Площадь территории, занимаемой функционирующими на данный момент карьерами, составляет около 300 га земли, под заброшенными карьерами находится еще 100 га земли, не считая площади земель занятых отходами производства пиленого камня и породами вскрыши. Итого в ближайшем будущем подлежат рекультивации 33 карьера на территории 400 га. С учетом земель занятых отходами камнедобычи и породами вскрыши территория, нуждающаяся в проведении рекультивационных работ, составляет порядка 800 га.

Народнохозяйственное значение рекультивации выработанных карьеров пористых горных пород определяется возвратом обустроенных и восстановленных с учетом целевого использования карьерных выемок, рекультивированных захламленных, загрязненных и временно занимаемых земель, использованием отходов камнепиления в производстве строительных материалов, в сельском хозяйстве для регулирования кислотности почв и санации загрязненных земель. Вопросы использования отходов камнепиления известняков – ракушечников и рекультивации нарушенных при камнедобыче земель являются особенно актуальными для Дагестана, как горной республики с дефицитом плодородных земель, пригодных для сельскохозяйственного производства.

Все выше изложенное определяет актуальность данной работы, решающей вопросы комплексного подхода к ликвидации последствий добычи пористого стенового камня на основе рационального использования отходов для рекультивации нарушенных земель и снижения негативных воздействий на окружающую среду.

Цель диссертационной работы. Разработка способов использования отходов камнепиления известняков – ракушечников и способов рекультивации выработанных карьеров с целью снижения последствий антропогенной деятельности на территории Республики Дагестан.

Поставленная цель достигалась решением следующих задач:

1. Анализом международного и отечественного опыта в части изучения оптимальных технологических схем переработки и использования отходов камнепиления известняков — ракушечников.

2. Изучением и исследованием закономерности состава и объемов образования отходов камнепиления известняков - ракушечников в карьерах Дагестана.

3. Обзором современной ландшафтно-географической характеристики территории Дагестана и изучением закономерностей изменения компонентов природной среды в результате добычи строительных материалов.

4. Разработкой способов использования отходов камнепиления известняков-ракушечников в целях повышения продуктивности и экологической безопасности сельскохозяйственных земель.

5.Разработкой способов рекультивации отвалов и карьерных выемок после выработки известняков – ракушечников.

6. Определением физико–механических характеристик отходов камнепиления. Обоснованием их пригодности для создания новых строительных материалов. Разработкой способов и технологий использования отходов камнепиления известняков-ракушечников в строительстве.

7. Эколого-экономическим обоснованием способов использования отходов камнепиления и рекультивации нарушенных земель при добыче известняков-ракушечников.

Научная новизна и практическая значимость работы. На основе анализа мирового опыта, экспериментальных данных и моделирования впервые разработаны и научно обоснованы способы использования отходов (отвалов) камнепиления горных пород в сельском хозяйстве и строительстве.

Практическое значение работы заключается в доказанной возможности и эффективности использования разработанных способов для технических решений экологических проблем возникающих при разработке месторождений известняков-ракушечников.

Изучены и исследованы закономерности состава и объемов образования отходов камнепиления известняков - ракушечников.

Исследован химический состав и изучены основные физико-механические свойства отходов камнепиления и заполнителей на их основе.

Обоснована возможность использования отходов камнепиления для улучшения свойств кислых и загрязненных почв.

Рассмотрены вопросы комплексной рекультивации карьерных выемок, отвалов и прилегающих территорий при добыче пильного стенового камня и даны критерии выбора основных направлений использования нарушенных земель.

Обоснована пригодность отходов для создания новых строительных материалов. Разработана методика проектирования состава легкого бетона на заполнителях из отходов известняков- ракушечников с учетом водопотребности, прочности и объемной концентрации заполнителей. Запроектированы составы и изучены свойства легких бетонов на основе пористых заполнителей.

Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность снижения средней плотности бетонов на заполнителях из известняков - ракушечников, используя отходы винной промышленности.

Определена эколого-экономическая эффективность переработки отходов камнепиления и рекультивации нарушенных земель при разработке месторождений известняков-ракушечников.

На основе исследований дано обоснование способов использования отходов камнепиления известняков – ракушечников в сельском хозяйстве и строительстве, определены варианты рекультивации отработанных карьеров.

Экологические вопросы, решаемые в диссертационной работе.

1. Уменьшение количества новых карьеров, путем комплексной переработки отходов на уже разрабатываемых карьерах, что ведет к снижению потребности в отводе земель под новые карьеры.

2. Освобождение рабочих путей каменных карьеров и огромных площадей из-под отвалов отходов камнепиления, сокращая тем самым, количество нарушенных земель.

3. Ускорение процессов рекультивации нарушенных земель и возвращение в хозяйственный оборот рекультивированных земель.

5. Повышение продуктивности и экологической безопасности кислых и загрязненных сельскохозяйственных земель, используя отходы камнепиления известняков-ракушечников.

6. Получение заполнителей для легких бетонов дроблением и рассевом отходов камнепиления известняков- ракушечников, и, тем самым, существенно снижая затраты на производство пористых заполнителей, легких бетонов и объемы их перевозок.

7. Обоснована эколого-экономическая целесообразность переработки отходов и рекультивации нарушенных земель при добыче пильного стенового камня, определена величина предотвращенного экологического ущерба в результате проведения природоохранных мероприятий на землях нарушенных камнедобычей.

Апробация полученных результатов. Основные материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на заседаниях кафедр: «Мелиорация, рекультивация и охраны земель» и «Сельскохозяйственного строительства и архитектуры», на научно- технических конференциях Московского государственного университета природообустройства (МГУП):

На конференции посвященной 100- летию гидроэнергетического строительства в России и 50-летию строительного факультета МГУП–Москва 1996 г.

На конференции «Современные проблемы водного хозяйства и природообустройства.» - Москва 1997г.

«Природообустройство и экологические проблемы водного хозяйства и мелиорации» - научно – техническая конференция, Москва 1999г.

Научно - техническая конференция « Природообустройство сельскохозяйственных территорий» - Москва 2001 г. МГУП.

Опубликованы статьи: «Переработка технологических отходов и рекультивация нарушенных земель при добыче пиленого камня» // «Естественные и технические науки» № 4 (18) 2005 г. Издательства «Компания Спутник +» - Москва.

«Обоснование способов использования отходов камнепиления известняков-ракушечников для улучшения свойств кислых и загрязненных земель» // «Мелиорация и водное хозяйство» № 2, 2007 г.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Обоснование использования отходов камнепиления для повышения продуктивности сельскохозяйственных земель и в рекультивации загрязненных тяжелыми металлами земель.

2. Виды нарушений и обоснование основных направлений использования нарушенных земель при разработке месторождений пористых горных пород.

3. Особенности расчета состава легкого бетона на пористых заполнителях с учетом их водопотребности, прочности зерен и объемной концентрации.

4. Возможность получения бетонов на известняковых пористых заполнителях, со средней плотностью р

5. Эколого-экономические аспекты переработки отходов камнепиления известняков-ракушечников, с последующей рекультивацией карьерных выемок, отвалов и прилегающих территорий.

Структура и объем диссертации:

Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, общих выводов, приложения и списка использованной литературы. Работа изложена на 220 страницах машинописного текста, иллюстрирована 40 рисунками и 17 таблицами. Список литературы содержит 153 наименования.

Содержание работы

Введение. Обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследований, а также новизна полученных результатов. Показана сопряженность экологических и народно-хозяйственных проблем, возникающих при разработке месторождений известняков-ракушечников, а также практическая значимость диссертационных исследований. Первая глава диссертации посвящена анализу возможного использования отходов камнепиления известняков-ракушечников, направлениям использования выработанных карьеров и рекультивации выемок, отвалов и прилегающих территорий.

Установлены основные свойства известняков-ракушечников, с определением источников, видов и объемов образования отходов при их разработке. Известняки-ракушечники Дагестана в зависимости от месторождения могут отличаться химико-минералогическим составом и физико-механическими свойствами. Они являются почти чистыми известняками с небольшим содержанием доломита и глин. Прочность при сжатии камня-ракушечника колеблется в пределах от 0,6 до 50 МПа, а пористость соответственно от 45 до 9%. Коэффициент размягчения превышает 0,8, морозостойкость удовлетворительная, они выдерживают более 15 циклов замораживания и оттаивания. При разработке известняков-ракушечников получают пиленый камень, который используется как стеновой материал в виде камней, мелких и крупных блоков.

Однако в виду их незначительной прочности и малой трещиностойкости при механизированной разработке около 50 % всего объема превращается в технологические отходы в виде кусков неправильной формы крупностью от 40 до 250 мм и мелкозернистого песка. Отходы, образующиеся при камнедобыче известняков-ракушечников, занимают огромные площади под отвалы и на данный момент не перерабатываются и не используются.

На основании мирового опыта дан анализ состояния проблемы переработки отходов камнепиления. Приведены области возможного применения строительных материалов, получаемых при переработке отходов камнепиления пористых горных пород.

Отходы камнепиления известняков-ракушечников могут быть переработаны в природные пористые заполнители. Область использования заполнителей из отходов камнепиления известняков-ракушечников может быть весьма обширна, она включает в себя не только бетонные и железобетонные конструкции, конструкционные автоклавные силикатные бетоны, армосиликатные изделия, кладочные растворы, асфальтобетон, их применяют в качестве балласта верхнего строения пути в транспортном строительстве. Отходы камнепиления известняков-ракушечников могут быть использованы и для производства различных видов извести.

Указана возможность использования отходов камнепиления известняков-ракушечников для регулирования подвижности тяжелых металлов в почве и мелиорации кислых почв.

Приведены объемы образования отходов и площади нарушенных земель при разработке месторождений Дагестанских известняков-ракушечников. На данный момент отсутствует комплексный подход при рекультивации выработанных карьеров, отвалов и прилегающих территорий или происходит полный отказ от ее выполнения. Рекультивацией этих нарушенных земель занимаются не своевременно и не на должном уровне. Основным направлением рекультивации выработанного пространства карьеров является в лучшем случае обратная их засыпка отходами камнепиления и породами вскрыши и по возможности частичная их раздача под индивидуальное жилищное строительство.

Даны основные требования к рекультивации нарушенных земель по направлениям их целевого использования. Рассмотрены возможные направления использования выработанных карьеров и рекультивации выемок, отвалов и прилегающих территорий. Рекультивированные территории могут быть использованы в следующих направлениях: сельскохозяйственное, лесохозяйственное, водохозяйственное, рекреационное, природоохранное, санитарно - гигиеническое и строительное. Нарушенные при разработке месторождений известняков-ракушечников земли после рекультивации могут быть использованы для выращивания овощей, ягод, под пашни, сенокосы, лесопосадки, а также и для других целей, например под спортивные и игровые площадки, парки, кемпинги, строительство.

Разработка месторождений известняков-ракушечников открытым способом приводит к нарушению земель и выводу из использования больших территорий, поэтому рекультивация отработанных карьеров и рациональное использование отходов камнепиления имеют важное народнохозяйственное и природоохранное значение.

Вторая глава диссертационной работы посвящена проблеме загрязнения окружающей среды в результате добычи известняков-ракушечников и возможности снижения антропогенной нагрузки на окружающую среду. Сделан анализ состояния экосистем с применением ландшафтного подхода для оценки изменчивости компонентов природной среды в результате добычи известняков-ракушечников.