Specifics of Reclamation of the Waste Territories of Coal Mines in Kuzbass

Review article
DOI:
https://doi.org/10.23670/IRJ.2022.123.48
Issue: № 9 (123), 2022
Suggested:
04.08.2022
Accepted:
07.09.2022
Published:
16.09.2022
44
3
XML PDF

Abstract

The article evaluates methods of land reclamation in coal mining in order to identify the most appropriate methods of restoration of coal pits, taking into account the specifics of the territory of Kemerovo region - Kuzbass, which we are studying. Conducted in May 2022 literature search considered scientific and technical articles, information about the territory, which are freely available. Databases of articles from Scopus, Google Scholar, Russian scientific electronic library (https://www. elibrary.ru; https://cyberleninka.ru.) were used. Search queries were formed using the keywords "reclamation of coal mines", "methods of reclamation of open pits", "restoration of disturbed lands", "technogenic / posttechnogenic landscapes"; "technogenic landscapes"; recultivation technologies; young soils; soil-ecological mapping, disturbed soil biological reclamation / environmental protection and the similar. The carried out analysis showed that the most acceptable modern methods of recultivation taking into account specifics of Kuzbass territory are the following: formation of stable forest plantations on the coal industry waste dumps; ecological assessment of disturbed lands to define a complex of measures on land reclamation considering biodiversity; analysis of factors of soil formation, morphological and physical and chemical parameters of soils of technogenic landscapes; method of biotesting with using earthworms when assessing results and effectiveness of land reclamation, method of ecological mapping, bioindicator methods for integral assessment of the environmental state, as well as the method of multidimensional monitoring using geoinformation technologies and Earth remote sensing methods.

1. Введение

В настоящее время интенсивное освоение природных ресурсов приобретает качественно новый характер. Техногенез проявляется на глобальном и региональном уровнях, затрагивая элементы атмосферы, гидросферы, литосферы и биологических сообществ [1]. С каждым годом антропогенная нагрузка на природу возрастает. Количество нарушенных земель в мире постепенно увеличивается [2], [3], [4]. Нарушенные земли считаются утратившими свою первоначальную природную и экономическую ценность и, как правило, являются источником негативного воздействия на окружающую среду.

Суть широкого спектра экологических проблем в том, что пожары, вырубки, эрозия, техногенные нарушения препятствуют восстановлению и развитию лесов, препятствуют возобновлению системообразующих пород. Безусловно, горнодобывающий комплекс и техногенная трансформация экосистем играют важную роль в ухудшении экологической безопасности, в нарушении первозданной целостности ландшафтов (таблица 1).

Таблица 1 - Общая добыча угля, 2019-2024 гг.

Год

2019

млн. тонн

2020

млн. тонн

2021

млн. тонн

2024

млн. тонн

Совокупный среднегодовой темп роста, %

Страна

1

2

3

4

5

Китай

3 724

3 764

3 925

3 982

0,5

Индия

756

764

793

955

6,4

Индонезия

601

564

576

570

-0,4

Австралия

507

468

470

477

0,5

США

641

485

528

484

-2,9

Россия

439

398

429

445

1,2

Мир в целом

7 944

7 560

7 889

8 014

0,5

составлена по Coal 2021. IEA Publication, Paris [5]

 

Как видно из данных таблицы, Китай продолжает доминировать в мировых тенденциях добычи угля. В России крупнейшими компаниями-экспортерами угля выступают [6]: АО «СУЭК», АО «УК «Кузбассразрезуголь», АО ХК «СДС-Уголь», Группа «Сибантрацит», ПАО «Кузбасская Топливная Компания», ОАО «Мечел-Майнинг», ООО «Восточная горнорудная компания», ООО «Распадская угольная компания» и многие другие. Основными поставщиками коксующихся углей на экспорт являются: АО ХК «Якутуголь» (ОАО «Мечел-Майнинг»), АО «СУЭК-Кузбасс», ООО «Распадская угольная компания» (ЕВРАЗ), АО «УК «Кузбассразрезуголь» (УГМК) и так далее.

Уголь является важным сырьем для социального развития угледобывающих стран. В урбанизированных районах с хорошо развитой тяжелой промышленностью (металлургической, угольной, нефтеперерабатывающей и так далее) особую остроту приобретает проблема сохранения окружающей среды, биоразнообразия в целом. И рекультивация нарушенных земель является одним из ключевых этапов этого процесса [7].

Подобного рода разнонаправленная проблематика актуализируется в трудах отечественных и зарубежных учёных [8], [9], [10], [12]. Сегодня весьма актуальна оценка состояния природных ландшафтов в местах добычи угля с использованием средств дистанционного зондирования Земли [13]. В связи с увеличением антропогенной нагрузки на природные комплексы и земельные ресурсы важно детально изучить способы рекультивации.  Представленная мировая проблема характерна и особенно актуальна для Кузбасса.

Кемеровская область–Кузбасс является мощным промышленным центром России. На сегодняшний день в связи с активной добычей угля, металлургией, углехимией, нефтехимией и развитием новых отраслей промышленности земли Кемеровской области испытывают достаточно высокую техногенную нагрузку. Последствия утраты земель рекреационных и охранных зон неуклонно ухудшается состояние окружающей среды и качество жизни горожан, в связи с чем управление зеленым фондом необходимо рассматривать как часть концепции устойчивого развития городов в рамках новой парадигмы экологической ответственности [14], [15], [16]. Значимо восстанавливать земли, отведенные муниципалитетам под добычу полезных ископаемых, принимать ответственные экологические решения, реализуя возможности рекреационных зон широкого назначения, например, в аспекте развития экологического туризма [17], [18], [19].

Целью наших исследований является оценка методов рекультивации земель при добыче угля, чтобы выявить наиболее приемлемые методы восстановления угольных карьеров, учитывая специфику территории Кемеровской области – Кузбасса.

2. Основная часть

Проведённый в мае 2022 года поиск литературы рассматривал научно-технические статьи, информацию о территории, которые находятся в свободном доступе. Использовались базы данных статей из Scopus, Google Scholar, российской научной электронной библиотеки. Поисковые запросы формировались по ключевым словам «рекультивация угольных разрезов», «методы рекультивации карьеров», «восстановление нарушенных земель», «техногенные / посттехногенные ландшафты»; «technogenic landscapes»; recultivation technologies; young soils; soil-ecological mapping, disturbed soil biological reclamation / environmental protection и тому подобное.

Ресурсный потенциал Сибири весьма существенен. Кузнецкий угольный бассейн является крупнейшим из угольных бассейнов мира, имеет особый статус, поскольку Кемеровская область является одним из самых индустриальных и высокоурбанизированных регионов страны. Рекультивировать необходимо чётко и грамотно, учитывая особенности пространства Кузбасса.

Кемеровская область располагается в южной части Западной Сибири. Для двух третей территории Кузбасса характерен горный рельеф. Центральная часть региона расположена в Кузнецкой котловине (рельеф в основном равнинный, местность сильно изрезана оврагами). Котловина с трех сторон охвачена горами (Салаирским кряжем, Абаканским хребтом, Кузнецким Алатау) [20], [21]. Общая площадь земель в административных границах Кемеровской области – Кузбасса по состоянию на 01.01.2020 составляет 9572,5 тыс. га. Природные условия и почвенный покров Кемеровской области – Кузбасса разнообразны. Леса занимают почти 65% пространства региона. Растительность представлена пихтой, кедром, березой, осиной и так далее. Северная часть характеризуется серыми почвами, Кузнецкая котловина – выщелоченными и оподзоленными, среднемощными и мощными черноземами, горные массивы – дерново-подзолистыми почвами [22].  За 2019 год нарушено земель 5,443 тыс. га, рекультивировано 0,711 тыс. га, что составило 13,1 % от площади нарушенных земель за отчетный год [22] (таблица 2).

 

Таблица 2 - Динамика добычи угля в Кузбассе за два года (2021-2022)

Годы

Добыча

Открытым способом

Подземным способом

2021

35

23

2022

37

20

Министерство угольной промышленности Кузбасса [23]

 

С начала 2022 года угольщиками Кузбасса добыто 57 млн. тонн угля (январь-март 2021 г. – 58 млн. тонн) [23]. Как видно, темпы роста площади территории с восстановленными экологическими функциями значительно ниже темпов их разрушения. Большой негативный вклад в процессы деградации и уничтожения почвенного покрова на территории Кемеровской области – Кузбасса вносят горнодобывающие предприятия, особенно при открытой добыче угля, с образованием в зоне действия объектов техногенных ландшафтов.

Кузбасс уникален по своим геологическим, ландшафтным, почвенным и биологическим характеристикам. Одной из особенно острых экологических проблем области является рост площади техногенных и посттехногенных ландшафтов. В связи с этим рекультивация нарушенных земель становится реальным способом восстановления разрушенных экосистем.

В настоящей статье под термином рекультивация понимается следующее. Рекультивация – «это действия по предотвращению деградации земель и (или) восстановлению их плодородия путем приведения земель в состояние, пригодное для их использования в соответствии с целевым назначением и разрешенным использованием, в том числе путем устранения последствий загрязнения почв, восстановления плодородного слоя почвы, создания защитных лесных насаждений» [24]. Рекультивация нарушенных земель и земельных участков, как правило, происходит в русле следующих ключевых направлений реабилитации отработанных земель: сельскохозяйственное; лесохозяйственное; рыбохозяйственное; природоохранное; рекреационное; водохозяйственное; строительное [25].

Каждое направление из этого широкого спектра обладает своим инструментарием. Так, восстановление промышленных земель после добычи угля осуществляется при помощи как методов технической (таблица 3), так и биологической рекультивации (таблица 4).

Таблица 3 - Методы технической (механической) рекультивации отработанных территорий

Структурно-проективные

Химические

Водные

Тепловые

Селективная (раздельная) выемка, отвалообразование, землевание, метод экранирования и многие другие

известкование; гипсование; внесение буроугольной смолы и тому подобное

дренирование; осушение; обводнение; орошение;

регулирование высоты снежного покрова

и многие другие

 

согревание, мульчирование, оттаивание и многие другие

сост. по ист. [26]

Таблица 4 - Методы биологической (лесной) рекультивации нарушенных земель

Агротехнические методы

Фитомелиоративные методы

Мелиоративные методы

очень глубокое рыхление (на 40-50 см), максимально глубокая вспашка и другие

методы создания лесных, древесно-кустарниковых и травянистых полос

использование полистироловых хлопьев, битумных эмульсий.

сост. по ист. [26]

 

Методы (механической) рекультивации влияют на техногенные ландшафты, меняют его рельеф, свойства горных пород и многое другое. Подчеркнём, что агротехнические методы способствуют улучшению агрофизических и агрохимических свойств почвогрунтов. Мелиоративные методы трансформируют неблагоприятные химические свойства техногенного субстрата (нейтрализуют токсичность, благоприятно воздействуют на реакцию среды). В свою очередь фитомелиоративные, применение которых весьма актуально на данный момент, обеспечивают надёжную защиту техногенных почв от водной и ветровой эрозии.

В мире применяются самые разнообразные методы технической и биологической рекультивации, которые были описаны ранее. В этом плане показателен опыт рекультивации нарушенных земель США, Китая, Германии и др.

В мировой практике применяются как традиционные, так и современные методы рекультивации земель. Так, традиционные методы рекультивации связаны, как правило, с созданием рекультивационного слоя. Авторы изучают влияние метода начальной посадки на производительность смешанных посадок ольхи и дуба на уплотненном открытом грунтедобыча угля; влияние методов подготовки к добыче на рост деревьев, структуру древостоя и естественную регенерацию в начальный период стадии исключения ствола из развития древостоя и многое другое [27], [28], [30], [31].

В монографии М. Ф. Смирного и его соавторов [32] рассмотрены вопросы восстановления терриконовых ландшафтов Донецкого угольного бассейна (Донбасса) на основе установления закономерностей физико-геологических и геохимических процессов, происходящих в отвальных породах. Особое внимание уделено поэтапной утилизации терриконов по их геохимической активности. Лесная рекультивация рассмотрена как средство снижения вредного воздействия отвалов на окружающую среду и консервации полезных элементов отвальной породы для использования в будущем.

Традиционные методы устаревают, имеют свои ограничения по тем или иным показателям.

На современном этапе экологического мониторинга земель, как отмечают исследователи [33], рекультивация особенно важна для восстановления первоначальной биологической ценности и экологических функций территорий. Если ранее приоритетом было хозяйственное использование нарушенных земель, то в настоящее время современные методы мелиорации земель связаны с применением прогрессивных мелиоративных технологий при использовании сточных вод и активной почвенной микрофлоры. Эти методы не требуют больших денежных вливаний. При этом улучшают рекультивацию нарушенных земель в несколько раз.

Так, например, G. Li и его соавторы применяют новый подход к увеличению скорости мелиорации земель в зоне оседания угольной промышленности угольной шахты Гуцяо (Китай) [34]. Авторами установлены динамические распределения поверхностного оседания и ущерба земле с 2007 по 2017 год, основанные на одновременной добыче и рекультивации. В этом же плане X. Yu с коллегами [35] разработали индекс оценки мелиоративных выгод в районе добычи полезных ископаемых с использованием данных мелиоративного мониторинга на угольной шахте Hanjiawan в шахтном районе Шаньдун (провинция в Китае) использовались экспертный метод оценки и традиционная модель оценки. Авторами подчёркнуто, что эти методы могут быть использованы для точной оценки комплексных выгод после рекультивации земель, а результаты оценки обеспечат справочную основу для устойчивого развития угольной отрасли.

Среди перспективных современных методов выделяются методы дистанционного зондирования Земли. В недавних исследованиях спутниковые изображения использовались для мониторинга и оценки воздействия антропогенной деятельности на состояние биофизических характеристик поверхности [36], [37], [38]. Спутниковые данные обладают рядом достоинств, таких как многовременность и мультиспектральность. Они охватывают обширные области, что делает их пригодными для изучения динамических явлений [39]. Так, к примеру, в работе A. A. Pericak и его коллег [40] для анализа гидрологических, биогеохимических, экологических и медицинских последствий добычи полезных ископаемых, в том числе угля, на территории Центральных Аппалачей (горной системы на востоке США и Канады), с использованием платформ Landsat и Google Earth Engine. Авторы оценили воздействие на экосистему и здоровье людей, частично опираясь на геопространственный набор данных, определяющий степень поверхностной добычи с десятилетним интервалом. В рамках подхода, основанного на дистанционном зондировании, в работе M. K. Firozjaei и его соавторов [41] использовались карты LST и NDVI для оценки техногенного воздействия на уровень залесённости. Авторами выявлено стабильное сокращение целостности лесного покрова из-за увеличения объёмов горнодобывающей промышленности.

Широкий спектр применения технологий дистанционного зондирования в мониторинге биоразнообразия, структуры ландшафта, изменения растительности, почвенной среды, состояния поверхностного стока и атмосферной среды в районах добычи полезных ископаемых ярко выражен в публикации W. Song и его соавторов [42].  На основе полученных результатов дана весьма убедительная классификация землепользования, обозначены факторы воздействия на окружающую среду. При этом отмечено, что эти современные методы мониторинга всё еще нуждаются в совершенствовании из-за ограниченности данных, поскольку существует мало исследований по дистанционному зондированию мониторинга внутренних энергетических потоков.

В русле отечественной науки и практики также актуально использования традиционных и современных методов восстановления отработанных земель при добычи угля. В этом плане E.B. Dedova [43] с соавторами предложили агробиологический метод фитомелиорации деградированных земель на открытых песчаных массивах, включающий посадку Calligonum aphyllum (Pall.) Gurke, Leymus racemosus Лам. Цвел. Bassia prostrata (L.) A.J. Scott, Krascheninnikovia ceratoides (L.) Gueldenst., and Agropyron sibiricum (Willd.) P. Beav. Разработаны дифференцированные для различных категорий сельскохозяйственных угодий комплексы мелиоративных мероприятий, обеспечивающие создание оптимальных условий для повышения природно-ресурсного потенциала аридных экосистем и предотвращения опустынивания территорий, выравнивания сложности почвенного покрова, снижения естественного и антропогенного засоления, а также снижения уровня загрязнения почв.засоление и риск других негативных процессов.

К перспективным методам также относится метод дистанционного зондирования воздействия на лесные экосистемы хвостохранилища для решения экологических проблем в рамках статьи L. T. Krupskaya и её соавторов [44]. Представлен анализ современного состояния поверхности хвостохранилища как источника интенсивного техногенного загрязнения лесных экосистем, а также оценка процессов эволюции компонентов окружающей среды после прекращения техногенного воздействия с использованием дистанционного зондирования Земли. Использование методов дистанционного зондирования позволило уточнить пути миграции и характер потоков загрязняющих веществ из выброшенных хвостохранилищ. Разработаны пути снижения их негативного воздействия на лесные экосистемы.

На данный момент очерченная проблематика актуальна и для рекультивации земель в Кузбассе, она отражена в широком диапазоне трудов исследователей. Так, к примеру, этой тематике посвящён сборник научных статей «Проблемы охраны и рационального природопользования» [45], в котором среди широкого спектра вопросов рационального использования природных ресурсов Кузбасса особое место отведено изучению биотехносферы, природных ландшафтов. А. Л. Малков пишет об особом методе экологического катографирования, который нахдится на стыке разнообразных научных дисциплин (экологии, гигиены, географии и других наук). Метод поможет рассматривать как отрицательные, так и положительные последствия влияния человека на природу Кузбасса. Наиболее значимо, по мнению автора, составление экологическх карт всех промышленных районов области для этого желательно сорудничество всех научно-исследовательских институтов и вузов региона. Надежный интсрумент для интегральной оценки состояния окружающей среды в Кузбасском промышленном регионе [46]. В свою очередь В. Г. Щербак в своей работе приводит результаты исследований по выявлению биоиндикаторных видов растений, которые показали, что для Новокузнецка и его окрестностями таковыми являются: сосна обыкновенная, клен ясенелистный, клён Гиннала, а также некоторые виды мхов и лишайников [47].

А. В. Заушинцена, Н. В. Скалон и другие соавторы применяли метод биотестирования с использованием дождевых червей при оценке результатов и эффективности рекультивации почв, загрязненных токсичными веществами [48]. Исследования проведены в 2010 - 2013 гг. в окрестностях и в зоне опытного полигона Кемеровского государственного университета - экомузея «Тюльберский городок» в 62 км к югу от г. Кемерово в Кемеровском районе Кемеровской области. Выявлена сильная реакция почвенных животных на степень загрязнения нефтепродуктами и влажность почвы, что позволяет оценить результаты рекультивации.

Инновационные технологии рекультивации и экологической оценки нарушенных земель представлены в работе А. В. Заушинценой, Н. В. Кожевникова [49]. Авторы проанализировали зависимость экологической ситуации в Кемеровской области от состояния почв, нарушенных в результате добычи полезных ископаемых. Выявлено, что воздействие угледобывающих предприятий приводит к нарушению сложившегося динамического равновесия в биосфере, как на региональном, так и на глобальном уровне. Показана необходимость введения строгого контроля за состоянием почвенного покрова и обязательное выполнение работ по восстановлению нарушенных территорий.

В рамках новой перспективной отрасли генетического почвоведения раскрываются работы О. И. Подурец и M. A. Осинцевой [50], [51], связанные с изучением техногенеза и почвообразования в Кемеровской области. Отмечено, что метод диагностики развития почвообразовательных процессов по функциям генетических горизонтов органогенной части почвенного профиля позволяет прогнозировать не только генезис почв, но и направленность восстановления в конкретном техногенном ландшафте биоценотических процессов [50]. Авторами изучена специфика почвообразующих процессов на основе анализа факторов почвообразования, морфологических и физико-химических параметров почв техногенных ландшафтов. Установлены общие закономерности влияния экологических факторов развития почвообразующих процессов в техногенных ландшафтах, а именно: особенности морфоструктуры рельефа техногенного ландшафта; свойства и состав материнских пород; гидротермальные условия обитания и многое другое [51].

Доступные и эффективные методы рекультивации нарушенных земель в Кузбассе описаны в работе [52]. Авторами предлагаются следующие способы восстановления экосистем:

1) разработка методики восстановления лугово-степных сообществ;

2) формирование устойчивых лесных насаждений на отвалах угольной промышленности;

3) экологическая оценка нарушенных земель для определения комплекса мер по рекультивации земель с учетом биоразнообразия.

Особого внимания заслуживают «Методические рекомендации по лесной рекультивации нарушенных земель на предприятиях угольной промышленности в Кузбассе» [53], которые содержат технологические схемы проведения работ по лесной рекультивации отвалов вскрышных горных пород для создания устойчивых и разнообразных по составу лесных насаждений.

Безусловно, такие явления, как урбанизация, опустынивание, потеря лесов или изменение качества воды, можно увидеть с помощью дистанционно воспринимаемых изображений. Цифровые методы в экологическом мониторинге, геодезии и картографии как драйверы экономического развития позволяют получать достоверную и актуальную информацию об объектах недвижимости и природных объектах, содержащуюся в настоящий момент в различных информационных ресурсах (ЕГРН, лесной реестр, водный реестр и в многих других) [54], [55].

Кузбасские угольщики активно взаимодействуют на практике с учёными-биологами в разработке инновационных технологий рекультивации и экологической оценки нарушенных земель. Так, например, Опорный университет Кузбасса выиграл конкурс на выполнение работ по биологической (лесной) рекультивации на филиале ОАО «УК «Кузбассразрезуголь» Моховский угольный разрез» [56].

3. Заключение

Проведённый анализ показал, что необходимо и целесообразно проведение дальнейших теоретических и практических исследований в области оценки методов рекультивации угольных карьеров Кемеровской области. Сделана первичная оценка общей характеристики территории с промышленным присутствием в рамках научного контекста изучения данной проблемы. Показано, что наиболее приемлемыми современными методами рекультивации с учётом специфики территории Кузбасса являются следующие: формирование устойчивых лесных насаждений на отвалах угольной промышленности; экологическая оценка нарушенных земель для определения комплекса мер по рекультивации земель с учетом биоразнообразия; анализа факторов почвообразования, морфологических и физико-химических параметров почв техногенных ландшафтов; метод биотестирования с использованием дождевых червей при оценке результатов и эффективности рекультивации почв, метод экологического картографирования, биоиндикаторные методы для интегральной оценки состояния окружающей среды, а также метод многоаспектного мониторинга с использованием геоинформационных технологий и методов дистанционного зондирования Земли.

Article metrics

Views:44
Downloads:3
Views
Total:
Views:44