Природоохранные технологии разработки рудных месторождений

Москва
ИНФРА-М
2018

ПРИРОДООХРАННЫЕ 
ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ 
РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ 

В.И. Голик

Допущено Учебно-методическим 
объединением вузов Российской Федерации
по образованию в области горного дела в качестве 
учебного пособия для студентов
высших учебных заведений, обучающихся по направлениям
подготовки 21.05.04 «Горное дело» 
и 21.05.05 «Физические процессы
горного или нефтегазового производства»

Голик В.И.
Природоохранные технологии разработки рудных месторождений : 
учеб. пособие / В.И. Голик. — М. : ИНФРА-М, 2018. — 192 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). — www.dx.doi.org/10.12737/638.

ISBN 978-5-16-006749-0

В учебном пособии изложены  аспекты  добычи полезных ископаемых в 
рамках учебных программ для студентов горных и геологических специальностей.
В центре внимания – вопросы влияния горного дела на биосферу и техногенное изменение экосфер Земли в результате взаимодействия горного дела 
и недр. Рассматриваются  история, темпы развития и перспективы природоохранных технологий добычи полезных ископаемых, в том числе полнота и 
комплексность использования минеральных ресурсов.
Предназначено для студентов и преподавателей вузов, горных инженеров 
и широкого круга читателей. 

УДК 622.274(075.8)
ББК 33.21я73

Г 60

УДК 622.274(075.8)
ББК 33.21я73
Г 60

ISBN 978-5-16-006749-0 
© Голик В.И., 2014

Р е ц е н з е н т ы:
Н.О. Каледин, д-р. техн. наук, заведущий кафедрой Московского государственного горного университета;
В.И. Игнатов, д-р техн. наук, проф., директор ООО  «Научно-исследовательского и проектного института “Недра”»

ФЗ 
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11

ВВедение

Природоохранные технологии разработки месторождений отно
сятся к горной экологии — науке, объектом которой являются взаимодействия техногенных процессов освоения недр с окружающей 
природной средой, а предметом исследований — закономерности 
формирования в техногенных системах экологической опасности, 
методы оценки таких систем; методы и технические средства управления экологическими параметрами; создание систем, удовлетворяющих требованиям экологии. 

Вся история земной цивилизации связана с освоением месторож
дений полезных ископаемых, которые относятся к наиболее важным 
ресурсам обеспечения жизнедеятельности человека на планете. Процессы горного дела сопровождаются смешиванием токсических веществ с воздухом, атмосферными осадками, почвенными водами. 
В дальнейшем тяжелые металлы включаются в почвообразовательные 
процессы. Взаимодействие с почвенными компонентами приводит 
к изменению их агрегатного состояния и соответственно способности к миграции и аккумуляции растениями.

Горная практика основана на профилактике негативных эколо
гических последствий с целью снижения их опасности. Проблема 
горной экологии состоит в учете структуры и свойств пород и массивов как природно-технических объектов для сохранения нормативного качества природной среды. 

Человечество переходит на новый этап развития, генеральной 

линией которого является устойчивое развитие, основанное на управляемом воздействии на среду обитания, потому что темпы антропогенного изменения природного химического круговорота намного превышают возможности восстановления среды обитания. 

Ресурсосберегающие и ресурсовоспроизводящие технологии гор
ного дела основываются на новых представлениях о закономерностях 
и способах освоения недр Земли. 

Горное дело вместе с человечеством прошло сложный путь от со
бирательства до вторжения в глубокие слои литосферы. Разработка 
месторождений полезных ископаемых начата на ранней стадии развития человеческого общества и развивалась одновременно в различных частях Земли. 

Темпы развития горного дела радикально ускорились в новое вре
мя, что позволило увеличить глубину разработок до 4000 м. При небольших объемах добычи природа успевала залечивать последствия 
вторжения в недра, но на современном этапе вновь актуальными 
стали проблемы рационального использования недр, эффективности 

добычи и безопасности труда. В областях горного дела развиваются 
теоретические и опытные работы, открывающие перспективу добычи ископаемых с сохранением окружающей среды.

Современное природопользование, основанное на естественном 

рассеивании разбавленных минеральных и жидких отходов горного 
производства, не обеспечивает их усвоение и включение в планетарный биогеохимический круговорот опасных элементов, высвобождаемых в процессе горного призводства.

Автор выражает глубокую признательность и благодарность про
фессорам В.И. Комащенко О.Н. Полухину и Ю.И. Разоренову за 
участие в подготовке книги к изданию.

1 

ГОРнОе деЛО 
и ОКРУЖАЮЩАЯ СРедА

По оценкам специалистов, мировые потребности в минеральном 

сырье достигли 18 млрд т в год.

Россия занимает первое место по геологическим ресурсам (35,9% 

от 14,8 трлн т) и третье место по разведанным запасам угля в недрах 
(12% от 1,685 трлн т). По объемам добычи угля она находится в одном 
ряду с ведущими угледобывающими странами мира, уступая лишь 
США и КНР. Производственная мощность действующих шахт и разрезов РФ составляет около 350 млн т.

В перспективе спрос на минеральное сырье увеличится до 25 млрд 

т, а мировое сжигание каменного угля и нефти возрастет в несколько 
раз, т.е. запасы каменного угля на Земле будут исчерпаны через 100– 
150 лет, а запасы нефти — значительно быстрее.

Разведанные запасы некоторых видов минерального сырья в мире 

составляют: в Европе — угля 37,1%, железной руды — 19, свинца — 
I7 и калийных солей — 23,6%; в Азии — 70,5% нефти, 30,6 — природного газа, 14,7 — угля и никеля, 15,9 — железной руды, 51,9 — олова 
и 18,2% — калийных солей. Африка располагает большими запасами 
урана — 32,2%, бокситов — 40,2, меди — 20,4, фосфоритов — 33,2%. 
В Северной Америке запасы минерального сырья составляют: 27% — 
природного газа, 36,3 — угля, 47,8 — урана, 23,1 — железной руды, 
39,6 — меди, 50,2 — свинца, 52,8 — цинка, 21,5 — никеля, 58,8 — калийной соли, 52,2% — фосфоритов. На долю Южной Америки приходится 21,2% железных руд, 27 — меди и 24,9% — олова. Ведущие 
позиции по запасам бокситов — 31,2% и никеля — 55,4% занимают 
Австралия и Океания.

Размеры добычи благородных металлов и алмазов составляют: 

золота (в тоннах) в ЮАР — свыше 910, Канаде — 65, США — 44, Гане 
и Австралийском Союзе — 23; серебра: в Канаде — 1500, в Перу — 
1250, в Мексике и США — по 1160, в Австралийском Союзе — 700; 
платиновых металлов: в ЮАР — около 42, Канаде — 12,4; алмазов (в 
млн карат.): в Заире — 13,4, ЮАР — 7,4. Гане — 2,6, Ботсване — 2,4, 
Анголе — 2,2, Сьера-Леоне — 1,8, Намибии — 1,6.

При истощении запасов богатого минерального сырья переходят 

к освоению ресурсов с более бедным содержанием полезных компонентов. Так, если в XIX в. среднее содержание меди в рудах, добываемых на шахтах Великобритании, составляло 5%, то в настоящее 
время только в одной стране мира — Замбии — добывают такие богатые руды. В основном содержание меди в руде при разработке современных месторождений составляет 0,7–1,5%. В некоторых стра

нах руды с содержанием меди 0,5–0,4 и даже 0,3% считаются промышленными. Аналогичная картина наблюдается и по другим рудам.

Прогнозные данные о ресурсах и сроках истощения запасов ми
нерального сырья нельзя считать достоверными. Высказанные ранее 
предположения о времени окончания в прошедшие годы добычи того 
или иного полезного ископаемого на Земле (особенно нефти) оказались неправильными — разработка месторождений продолжается 
и запасы по мере проведения геологоразведочных работ значительно 
«восстанавливаются».

По обеспеченности России запасами минерального сырья выде
ляются группы:
• газ, алмазы, никель, платина, бериллий, калийные соли, хризо
тил-асбест, — которых хватит на длительный период добычи;

• нефть, свинец, цинк, сурьма, олово, вольфрам, молибден, нио
бий,— интенсивный уровень добычи которых обеспечен на 5–7 лет;

• марганец, титан, рудное золото, бокситы, каолиновые и бенто
нитовые глины, плавиковый шпат, — добыча которых пока достаточна, а уровень запасов явно недостаточен;

• уран, вольфрам, цирконий, рений, стронций, — разведанные за
пасы которых ограничены, но имеется возможность их расширить 
в течение 5–12 лет.

1.1.
ГОРнОе деЛО и эКОСиСтемы ОКРУЖАЮЩей СРеды

Проблема охраны недр переплетается с задачами рационального 

использования минеральных ресурсов в процессе разработки месторождений полезных ископаемых. Решение ее сводится к совершенствованию технологии добычи и переработки всей минеральной 
продукции, обеспечивающей полное, целесообразное иэкологически 
корректное ее использование.

Проблемы рационального использования минеральных ресурсов 

и охраны окружающей среды могут быть эффективно решены с учетом классификации экологических требований к разведке и разработке месторождений полезных ископаемых в зависимости от географического расположения месторождения, плотности населения, 
степени использования земных угодий, климатических условий, объема разработки, ценности полезного ископаемого.

Основное экологическое требование к горным предприятиям — 

это требование успешного внедрения широкого комплекса мероприятий, направленных на снижение вредного воздействия горного производства на окружающую среду, т.е. создания и внедрения мало- 
и безотходных технологий при добыче и переработке минерального 
сырья, перехода на замкнутые оборотные системы водоснабжения 
горных предприятий с частичным использованием шахтных вод, 

предотвращения загрязнения воздушного бассейна от выбросов шахт, 
карьеров и обогатительных фабрик, рационального использования 
земель с восстановлением их продуктивности с последующей передачей сельскому хозяйству.

Процессы добычи полезных ископаемых (извлечение минералов, 

вскрытие, подготовка, дробление, выдача на поверхность, измельчение, обогатительный и металлургический переделы) нарушают равновесие экосистемы, вызывая необратимые изменения в биосфере. 
Они определяют газовый, водный, термический и геохимический 
режимы территорий, микроклимат регионов и даже глобальный климат планеты.

Объем добычи полезных ископаемых в мире удваивается каждые 

10–15 лет. Это расширяет масштабы влияния на биосферу. Человек 
изменил исходные природные ландшафты уже на 55% территории 
Земли, т.е. на 2,3 га на жителя планеты.

Предприятия горных отраслей следует рассматривать как источник 

комплексного и концентрированного воздействия на окружающую 
среду через геосферные оболочки: гидро-, лито-, атмосферу. Отработка месторождений приводит к изменению химического состава 
подземных вод, понижению уровня грунтовых вод, созданию условий 
для значительных по амплитуде просадок и т.д. Например, добыча 
нефти и газа сопровождается изменением пластового давления в коллекторе, перераспределением воды, нефти и газа. Адаптация среды 
к новому напряженному состоянию сопровождается возникновением землетрясений в промысловых районах, вызванных внезапным 
освобождением потенциальной энергии недр.

Рост техногенной сейсмической активности связан с проходкой 

выработок и бурением скважин. Если раньше разрабатывали небольшие по объему нефтяные месторождения, падение давления в которых компенсировалось закачкой воды, то теперь разрабатываются 
гигантские газовые месторождения, падение давления в которых не 
компенсируется заводнением: месторождение Газли — 180 км3, Медвежье — 2100 км3, Уренгойское — 700 км3, Ямбургское — 1000 км3.

Полезные ископаемые находятся в пористых горных породах, со
стоящих из отдельно соприкасающихся минералов. Промежутки 
между зернами заполняются водой. Если скважина вскрывает продуктивный газовый пласт нефти и газа, то находящиеся в порах под 
давлением воды устремляются вверх. Со временем пластовое давление падает, и твердый скелет породы испытывает возрастающее напряжение. При этом он может упруго или пластически деформироваться, что сопровождается просадкой грунта на поверхности. При 
упругой деформации накапливается энергия, которая питает землетрясения.

Два соседних зерна горной породы в пласте в первый момент вре
мени уравновешены и связаны между собой. Как только образуются 
напряжения, между ними возникают трещины, которые заполняются пластовыми водами. Прочный контакт частиц цементирующего 
вещества с зернами нарушается, а прочность пород уменьшается.

Техногенные воздействия провоцируют землетрясения. Их энергии 

складываются, ив результате происходит землетрясение более сильное, 
чем то, которое дало бы каждое из них в отдельности. В 1971 г. на Старогрозненском нефтяном месторождении, расположенном к северозападу от Грозного, произошло землетрясение интенсивностью 7 баллов, вызванное разработкой нефтяной залежи.

Часть месторождений находится в зоне мерзлоты с температурой 

от 0,5 до 3° С. Такие грунты даже при слабом сотрясении уменьшают механическую прочность и несущую способность.

Под действием горного дела происходят необратимые изменения 

экосистем: разрушение земной коры; перераспределение напряжений; 
изъятие из оборота почв; загромождение поверхности отвалами; заболачивание или обезвоживание почв; изменение состояния элементов биосферы; изменение характера атмосферных явлений и запыленности; увеличение радиоактивного уровня; изменение видов 
и количества флоры и фауны; возникновение биогенных мутаций 
и др.

Промышленная деятельность человека приводит к нарушению 

земельной поверхности. В России таких земель насчитывается свыше 2 млн га. Чаще всего процесс нарушения происходит при разведке и добыче полезных ископаемых. В результате этих работ значительная часть плодородных земель выбывает из сельскохозяйственного 
производства и превращается в полупромышленные пустыни — городские отвалы, выемки, карьеры, золоотвалы, провалы.

В России из общего количества нарушенных земель значитель
ную часть составляют земли, отводимые под открытые горные работы. В России и странах СНГ эксплуатируется свыше 5000 карьеров, из которых существенную часть составляют карьеры по добыче строительных материалов. Так, при добыче 1 млн т угля 
нарушается от 3 до 43 га, железной руды — 14 до 600 га, марганцевой 
руды — от 76 до 600 га, известняка — от 60 до 120 га, фосфоритов — 
от 22 до 77 га.

Разработка месторождений сопровождается изъятием территорий. 

Только для получения стройматериалов в СССР ежегодно изымалось 
около 1200 га земельных угодий. Площади хранилищ хвостов горнообогатительных комбинатов (в гектарах): Лебединского — 1950, Стойленского — 1800, Оленегорского — 1350, Качканарского — 1130, 
Михайловского — 940, Ковдорского — 900 и т.д. В окрестностях рудников и шахт расположено более 2 тыс. отвалов и терриконов, в ко

торых хранится более 3 млрд м3 геоматериалов. В среднем под отвалы отводят 0,1 га площади земли на каждые 1000 т сырья.

Ежегодно нарушается около 150 тыс. га земель, из которых сель
скохозяйственные угодья составляют 40%. Добыча 1 млн т железной 
руды нарушает от 14 до 640 га земли, угля — от 2,6 до 43 га, химического сырья — от 22 до 97 га, 1 млн м3 строительных материалов — от 
1,5 до 583 га. Наибольшие изменения земной поверхности происходят при открытом способе разработки месторождений полезных ископаемых, на долю которого приходится 75% объемов горного производства.

Формы воздействия горных объектов на среду:

• разрушение литосферы взрывными работами, а также за счет пе
рераспределения напряжений или горного давления;

• изъятие из оборота подработанных почв над участками горных 

работ;

• изъятие из оборота почв под отвалы отходов на поверхности;
• заболачивание и обезвоживание почв;
• изменение химического, биохимического и физического состоя
ния пород, почв, вод, воздуха и растительности;

• изменение характера атмосферных явлений и запыленности;
• увеличение радиоактивного уровня в регионах;
• изменение видов и количества флоры и фауны в окрестностях;
• возникновение биогенных мутаций и др.

Избыточная откачка артезианских вод, эксплуатация хвостохра
нилищ, захоронение опасных и радиоактивных отходов приводят 
к антропогенным землетрясениям, изменению радиоактивного фона, 
развитию наводнений и оползней, селевых потоков, обрушению карстовых пустот.

Установлена зависимость между сведением лесов от кислотных 

дождей в горах и количеством обвалов и оползней. При искусственном облесении закрепляющий эффект древесных пород наблюдается только через 20–30 лет.

Повышенная опасность горных процессов на среду определяется 

синергетическим (согласованно действующим) характером проявления процессов, при котором развитие отдельных процессов приводит к возникновению других, цепочных процессов, создающих 
вместе больший суммарный эффект, чем сумма эффектов.

Интерполяция тенденций развития технологий при гуманизации 

общественных отношений позволяет предполагать полный отказ от 
разрушающих технологий с обрушением земной поверхности.

Основными факторами техногенного влияния на экосистемы яв
ляются:
• геоморфологические (преобразование поверхности);

• гидрогеологические (подтопление и осушение территорий, загряз
нение подземных вод, изменение условий питания и разгрузки 
водоносных горизонтов);

• геохимические (рассеяние химических элементов, веществ и со
единений, нарушение водно-солевого баланса);

• геотермические (изменение структуры и режима водно-теплово
го баланса);

• инженерно-геологические (развитие оползневых явлений, карс
тов, просадок, селей и т.п.);

• минералогические (истощение земных недр);
• геомеханические (рис.1.1)

Рис. 1.1. Формы разрушения земной поверхности горными выработками

Горное дело все более негативно сказывается на природе прежде 

всего из-за потребительского отношения к ней. Загрязнение окружающей среды к середине ХХ в. превратилось в глобальную проблему. Лишь во второй половине этого столетия начались планомерные 
работы по исследованию состояния окружающей среды и разработке мер по ее улучшению. В этих работах важную роль играет общественно-политический фактор. Охрана и защита окружающей среды 
становится государственным делом и составной частью межгосударственных отношений.

Добыча ипереработка полезных ископаемых как один из основных 

аспектов деятельности человека сопровождается широкомасштабным 
воздействием на окружающую среду. Наибольшее влияние оказывается на атмосферу и гидросферу. Рациональное ведение технологи