Экологическая безопасность освоения месторождений полезных ископаемых

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное

образовательное учреждение высшего образования

«ПЕРМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНЫЙ ИНСТИТУТ

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ОСВОЕНИЯ
МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

МОНОГРАФИЯ

Под общей редакцией Е.А. Хайрулиной

Пермь 2022

УДК 502.17: 622.271.45
ББК 20.18

Э40

Э40

Экологическая безопасность освоения месторождений полезных ископаемых : монография / под общ. ред. Е.А. Хайрулиной ; 
Пермский государственный национальный исследовательский университет. – Пермь, 2022. – 175 с. 

ISBN 978-5-7944-3929-8

Представлены результаты исследований, выполненных научными сотруд
никами Естественнонаучного института за последние 10 лет, в том числе при 
финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках проекта «Биогеохимические и геохимические исследования ландшафтов в условиях интенсивного техногенного воздействия, поиск новых методов мониторинга и прогноза состояния окружающей среды».

Предназначено для научных сотрудников, преподавателей, студентов и ас
пирантов, работников, занятых в сфере экологии.

УДК 502.17: 622.271.45

ББК 20.18

Печатается по решению ученого совета Естественнонаучного института

Пермского государственного национального исследовательского университета

Коллектив авторов

Глава 1:
Е. А. Хайрулина, Е. А. Меньшикова, П. А. Белкин, М. А. Бакланов, 
В. Е. Ефимик, Е. Г. Ефимик, Н. В. Митракова, Е. Е. Малышкина, 
А. А. Перевощикова

Глава 2
Е. А. Меньшикова, С. М. Блинов, Т. И. Караваева, В. П. Тихонов

Глава 3
Е. А. Хайрулина, Н. В. Митракова, А. А. Перевощикова

Глава 4
О. С. Кудряшова, Н. С. Кистанова, А. М. Елохов

Рецензенты:
д-р техн. наук, профессор, научный руководитель Уральского государственного научно-исследовательского института региональных 
экологических проблем Б. Е. Шенфельд;

д-р хим. наук, ст. науч. сотр., профессор кафедры экологии Пермского государственного аграрно-технологического университета 
им. акад. Д. Н. Прянишникова А. Е. Леснов

ISBN 978-5-7944-3929-8

© Коллектив авторов, 2022
© ПГНИУ, 2022

  

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение
5

Глава 1. Экологический мониторинг и оценка состояния окружающей 
среды горнодобывающих территорий.
6

1.1. Система мониторинга состояния окружающей среды
6

1.2. Мониторинг биоразнообразия в районах разработки месторождений
23

Список литературы к главе 1
45

Глава 2. Вторичное использование отходов и технологии очистки 
твердых и жидких отходов.
50

2.1. Вторичное использование отходов
51

2.2. Технологии очистки сточных вод при разработке россыпных 
месторождений 
73

Список литературы к главе 2
101

Глава 3. Восстановление нарушенных земель.
112

3.1. Объекты и методы
114

3.2. Результаты исследования
115

Список литературы к главе 3
124

Глава 4. Физико-химические основы формирования искусственных 
геохимических барьеров на основе солей кальция.
128

4.1. Физико-химический анализ систем с целью оптимизации
состава растворов для тампонирования горных пород
134

4.2. Обоснование и подбор состава ингибитора кристаллизации 
водонерастворимых солей кальция из водных растворов
148

4.3. Результаты полевых испытаний и корректировка параметров 
процесса создания искусственного геохимического барьера
158

Список литературы к главе 4
170

ВВЕДЕНИЕ

В монографии представлены результаты исследований, выполненных 

научными сотрудниками Естественнонаучного института за последние 10 лет, в 
том числе при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках проекта «Биогеохимические и геохимические исследования ландшафтов в условиях интенсивного техногенного воздействия, поиск новых методов мониторинга и прогноза состояния окружающей среды» (№ АААА-А20-120081990070-9).

Разработка месторождений полезных ископаемых сопровождается ком
плексным воздействием на окружающую среду. Интенсивность и пролонгированность негативных процессов, связанных с горнодобывающей деятельностью, не сопоставимы с данными параметрами процессов других видов производств.

На примере Верхнекамского месторождения калийных солей изучены ме
ханизмы трансформации ландшафтов с использованием геохимических, минералогических и биогеохимических методов, что позволило выполнить анализ 
трансформации многокомпонентной системы «дренажные воды – подземные 
воды – породы – почвы – органическое вещество – биотический компонент» и
получить новые знания о формирующихся природно-техногенных системах. На 
основе этих знаний предложена система экологического мониторинга и оценка 
состояния окружающей среды.

Разработан и осуществлен способ рекультивации засоленных земель, 

включающий технический и биологический этапы. На основе проведенных работ построена структурная модель трансформации почвенных характеристик 
при поступлении Na–Cl техногенных потоков.

Для решения экологических проблем и повышения безопасности освоения 

месторождений калийных солей предложены способы вторичного использования отходов освоения месторождений полезных ископаемых, включая технологии очистки сточных вод; разработаны физико-химические и геохимические
основы методов создания искусственных барьеров путем кристаллизации водонерастворимых солей кальция.

ГЛАВА 1. ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ И ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ 

ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ГОРНОДОБЫВАЮЩИХ ТЕРРИТОРИЙ

Эффективное и безопасное освоение минеральных ресурсов является 

актуальной 
задачей.
Влияние 
техногенных 
факторов 
при 
освоении 

месторождений полезных ископаемых носит прогрессирующий характер и 
охватывает, наряду с геологической средой, такие компоненты окружающей 
среды, как атмосферный воздух, поверхностные воды, почвы, биоресурсы. 
Оценка техногенного влияния разработки месторождений невозможна без 
различных по масштабу целенаправленных наблюдений за компонентами 
окружающей среды, на основе результатов которых могут быть установлены 
тенденции их развития, разработаны способы управления ими. Главной задачей 
мониторинга является оценка текущего состояния окружающей среды на 
территории 
лицензионного 
участка
и 
соответствия 
этого 
состояния 

требованиям нормативов, стандартов и условий лицензий на пользование 
недрами при разработке полезных ископаемых.

1.1. Система мониторинга состояния окружающей среды

Необходимость мониторинга экологического состояния окружающей сре
ды определяется Федеральным законом Российской Федерации «Об охране 
окружающей среды» (2002). Вопросы мониторинга отдельных компонентов 
окружающей среды (в основном государственного) в той или иной мере отражены в различных нормативных документах: ФЗ РФ «Об охране атмосферного 
воздуха» (1999), Водный кодекс РФ (2006), Положение о ведении государственного мониторинга водных объектов (2007), ФЗ РФ «О недрах» (1992), Земельный кодекс РФ (2001), ФЗ РФ «О радиационной безопасности населения» 
(1996), Порядок  осуществления государственного мониторинга земель, за исключением земель сельскохозяйственного назначения (Приказ Федеральной 
службы государственной регистрации, кадастра и картографии от 22 июля 
2021 г. № П/0315), ФЗ «О животном мире» (1995), Порядок ведения государственного мониторинга и государственного кадастра объектов животного мира 
(Приказ Минприроды Россииот 30 июня 2021 года № 456), ФЗ «О рыболовстве 
и сохранении водных биологических ресурсов» (2004), «Положение о формировании планов проведения почвенных, геоботанических и других обследований земель сельскохозяйственного назначения, а также о проведении таких обследований» (2021), ГОСТ Р 56059–2014 «Производственный экологический 
мониторинг». Требования и подходы, изложенные в указанном перечне доку

ментов, могут использоваться для мониторинга состояния окружающей среды 
при недропользовании. 

Некоторые рекомендации по проведению экологического мониторинга 

приведены в СП 11-102–97, который является федеральным нормативным документом, прежде всего в сфере строительства. Он основан на принципе комплексной оценки воздействия сооружения на окружающую природную среду и 
воздействия среды на сооружение и условия проживания населения. Так, геоэкологическое опробование и оценка загрязнённости атмосферного воздуха, 
почв, грунтов, поверхностных и подземных вод – один из основных пунктов 
инженерно-экологических изысканий. Мониторинг состояния компонентов 
окружающей среды является завершающей частью инженерно-экологических 
изысканий и реализуется с целью текущего контроля экологической ситуации, 
эффективности предусмотренных проектами защитных и природоохранных мероприятий. Проектирование, организация и мониторинг требуют специальных 
методических проработок, финансирования и является обязательным при разработке как предпроектной, так и проектной документации.

Мониторинг компонентов окружающей среды при разработке месторож
дений полезных ископаемых регулируется Положением о порядке осуществления государственного мониторинга состояния недр РФ (2001). Государственный мониторинг состояния недр представляет собой систему регулярных 
наблюдений, сбора, накопления, обработки и анализа информации, оценки состояния геологической среды и прогноза ее изменений под влиянием естественных природных факторов, недропользования и других видов хозяйственной деятельности, являясь составной частью (подсистемой) комплексной системы мониторинга окружающей природной среды. Система государственного 
мониторинга состояния недр включает: мониторинг подземных вод; опасных 
экзогенных геологических процессов; опасных эндогенных геологических процессов; месторождений углеводородов; мониторинг месторождений твердых 
полезных ископаемых; участков недр, используемых для целей, не связанных с 
добычей полезных ископаемых; участков недр, испытывающих воздействие хозяйственной деятельности, не связанной с недропользованием; геологической 
среды континентального шельфа.

Организацию работ по государственному мониторингу состояния недр 

проводит Министерство природных ресурсов Российской Федерации во взаимодействии с другими специально уполномоченными государственными органами в области охраны окружающей природной среды и природопользования. 
Государственный мониторинг состояния недр осуществляется на федеральном, 
региональном, территориальном (административно-территориальном) и объектном (локальном) уровнях. Ведение объектного (локального) мониторинга 

состояния недр осуществляют недропользователи и иные субъекты хозяйственной деятельности, влияющие на состояние недр. Условия, объемы и виды мониторинга определяются в процессе получения участков недр в недропользование и указываются в лицензионном соглашении на пользование участком недр.

Принципы организации и ведения мониторинга месторождений твердых 

полезных ископаемых, его цели и задачи, состав информации содержатся в документе «Требования к мониторингу месторождений твердых полезных ископаемых» (2000). Требования предназначены для органов управления государственным фондом недр и должны использоваться при выдаче лицензий на 
пользование участками недр для добычи твердых полезных ископаемых и 
обеспечении ведения объектного уровня мониторинга на указанных месторождениях.

Для горнодобывающих предприятий мониторинг должен учитывать:

особенности 
воздействия 
на 
окружающую 
среду 
планируемого 
или 

действующего предприятия, фоновое состояние окружающей среды на данной 
территории, иные имеющиеся техногенные источники, существующую систему 
мониторинга, компонентный состав загрязнителей, особенности природных 
условийкак факторы распространения и аккумуляции загрязнителей [1].

Эксплуатация 
месторождений 
по-разному 
влияет 
на 
компоненты 

окружающей среды. Негативному воздействию подвержены атмосферный 
воздух, гидрологический и гидрохимический режимы водных объектов, 
естественный ландшафтный покров территории, а также биоресурсы. 
Специфика этого воздействия определяется видом месторождения и стадией 
его освоения (таблица 1.1).

С целью оценки степени негативного влияния на окружающую среду, 

предупреждения и ликвидации чрезвычайных экологических ситуаций
необходимо применять комплексный подход к решению возникающих 
природоохранных задач [2–5].

Для Пермского края особого внимания в аспекте оценки влияния недро
пользования на состояние окружающей среды и реализации программ мониторинга заслуживает территория Верхнекамского месторождения калийномагниевых солей. Месторождение уникально по своему строению, относится к 
крупнейшим в мире разрабатываемым месторождениям калийных солей. Соляная толща занимает площадь около 8,1 тыс. км2 и прослеживается в меридиональном направлении на 205 км, в широтном – до 55 км. Калийные предприятия включают в свой состав как рудники, ведущие подземную добычу сильвинито-карналлитовых руд и каменной соли, так и обогатительные фабрики по их 
переработке. 

Таблица 1.1 – Характер трансформации природной среды на месторождениях 

калийных солей на разных этапах разработки

Этапы разработки 

месторождения

Наиболее типичные 

загрязнители

Характер трансформации 

природной среды

Древняя добыча солей

Соли (NaCl),

воды с минерализацией до 

40 г/л

Засоление почв и поверхностных 
вод, появление солеросов, вырубка 

леса, карстовые процессы

Поисково-разведочные 

работы

Соли (NaCl), воды 

минерализацией до 300 г/л

Засоление подземных вод, почв и 

поверхностных вод

Шахтные работы
–
Проседание земной поверхности, 

заболачивание

Горно-обогатительные 

работы

Соли, технические воды с 
минерализацией 300 г/л, 

микроэлементы, 

соединения азота и другие 
органические соединения, в 

т.ч. искусственные

Засоление, сульфидогенез, 

осаждение минералов железа, смена 

видов растительности и 

гидробионтов, деформация пород и 
повышение уровня подземных вод

Анализ отечественного и зарубежного опыта показал, что существует 

огромное количество схожих экологических проблем при освоении соляных 
месторождений в мире. Среди них проблемы затопления прилегающих территорий и шахт, провалы земной поверхности, загрязнение окружающей среды, 
изменение гидродинамического режима поверхностных и подземных вод. Существует необходимость утилизации больших объемов промышленных отходов (проблемы расширения солеотвалов и шламохранилищ), модернизации 
технологии добычи солей, предотвращения экологических катастроф (создание 
дренажа, фильтрационных завес и экрана и др.), комплексной разработки системы мониторинга окружающей среды.

Таким образом, воздействие калийной промышленности на окружающую 

среду разнообразно и охватывает многие природные компоненты. В случае затопления шахт катастрофические последствия, сопровождающиеся просадками 
и провалами, распространяются на значительной территории [6–12]. Так, на 
Верхнекамском месторождении в 1986 г. на БКПРУ-3 произошел наиболее 
крупный провал– глубиной более 100 м, в 2007 г. – провал на БКПРУ- 1, в 
2014 г. – провал на СКРУ-2.

Калийное производство сопряжено с образованием большого количества 

отходов. К их числу относятся твердые галитовые отходы, глинисто-солевые 
шламы и избыточные рассолы, образующиеся как в технологическом процессе 
(оборотные рассолы), так и при взаимодействии атмосферных осадков с 
поверхностными накопителями отходов. В зависимости от минералогического 
и химического состава сырья, используемой технологии обогащения на 1 т 

готовой продукции может образовываться от 0,99 до 4,97 т твердых и от 0,3 до 
1,1 т жидких отходов производства [12].

Твердые солеотходы представляют собой сыпучую среду, содержащую 

90 % и более галита, а также небольшое количество других солей и 
нерастворимого остатка. Основным способом утилизации твердых галитовых 
отходов во всем мире является складирование их в солеотвалах на поверхности 
земли. Суммарная площадь изъятия земель под солеотвалы на крупнейших 
мировых производствах превышает 5600 га. Часть солеотходов направляется на 
закладку подземных выработок, а также после растворения закачивается в 
глубокие горизонты. В районах, где добыча и производство калия 
осуществляются в непосредственной близости от морских бассейнов, 
применяется утилизация солеотходов в море.

Глинисто-соляная 
пульпа 
представляет 
суспензию 
с 
весовым 

соотношением жидкой фазы к твердой от 3:1 до 2:1. Жидкая среда содержит 
рассол, обогащенный главным образом NaС1, менее KС1, МgС12 и NaSO4,
твердая 
содержит 
15–70 % 
нерастворимого 
остатка, 
остальное 
–

мелкодисперсная масса NаСl
и KСl
[13]. Жидкие отходы калийного 

производства – глинисто-солевые шламы и избыточные рассолы – складируют 
в поверхностных шламохранилищах и рассолосборниках, используют при 
закладке отработанного пространства, а также осуществляют закачку в 
глубокие горизонты и сброс в морские бассейны.

Отходы представлены легкорастворимыми компонентами (хлоридами 

калия, натрия и магния) и содержат большое количество микроэлементов 
(стронций, марганец, никель, кобальт, хром, цинк и др.), а также реагентов, 
используемых для обогащения солей. 

Водные мигранты формируют ореолы загрязнения поверхностных и 

подземных вод. На загрязненных почвах происходит замена растительных 
сообществ на более устойчивые к повышенному содержанию солей и 
микроэлементов, что приводит к трансформации зональных ландшафтов. 
Кроме этого, горнодобывающая деятельность сопровождается выбросами 
различных загрязнителей в атмосферный воздух. С извлечением пород на 
поверхность возможно поступление природных радионуклидов. 

Ведение мониторинга на калийном месторождении
подразумевает 

контроль состояния всех компонентов окружающей среды – атмосферного 
воздуха, поверхностных и подземных вод, почв, растительного и животного 
мира, ландшафтов, радиационной обстановки. Достоверность результатов 
такого многокомпонентного мониторинга должна отвечать требованиям научно 
обоснованной системы наблюдательных пунктов и должна быть ориентирована 

на перечень характерных для данного производства загрязнителей, уровни 
содержания которых не всегда нормативно урегулированы.

Проблема формирования сети экологического мониторинга и перечня 

определяемых показателей характерна для многих калийных производств. Так, 
в одном из старейших калийных регионов мира, в долине р. Везер (Германия),
мониторинг состояния окружающей среды осуществляется с 1979 г. По данным 
мониторинга 
ассоциации
WGGWeser
(http://www.fgg-weser.de),
сеть 

наблюдательных пунктов охватывает только поверхностные водные объекты 
долины р. Везер, которые находятся в районе воздействия деятельности
калийных предприятий. Сравнение полученных результатов наблюдений 
проводится с нормативными и фоновыми значениями.
На протяжении 

многолетнего периода исследований перечень определяемых компонентов 
менялся, но систематические исследования состояния окружающей среды в 
районе воздействия существующих и закрытых калийных предприятий в 
основном сводятся к изучению химических показателей аквальных экосистем 
(таблица 1.2).

Мониторинг включает также исследование биотических компонентов в 

речных
экосистемах. Изучению подлежат ихтиофауна, макрозообентос, 

диатомовые водоросли, фитопланктон и др. [14, 15]. Одним из важнейших 
показателей является оценка биоразнообразия, появление пресноводных видов 
свидетельствует об улучшении экологической ситуации. 

Как видно из таблицы 1.2, перечень определяемых компонентов, особенно 

в перечне микроэлементов, носит формальный характер и не отражает 
микроэлементную специфику калийного производства. Также отсутствуют 
суммарные 
показатели 
загрязнения 
или 
коэффициенты, 
отражающие 

трансформацию химического состава компонентов окружающей среды. 

Изучение 
проблемы 
воздействия 
техногенного 
галогенеза 
на 

трансформацию природных геосистем в России и зарубежом показало, что 
анализ состояния окружающей среды производится на основании исследований 
одного или двух компонентов окружающей среды. Проблемы трансформации 
всего природного комплекса или геосистемы не рассматриваются.

Таблица 1.2 – Перечень показателей мониторинга состояния аквальных 

экосистем в долине р. Везер [14, 15]

Показатель
Ед. измерения
Показатель
Ед. измерения

Поверхностные воды

pH
Na
мг/л

Температура
°C
Ca
мг/л

Содержание кислорода
мг/л
Mg
мг/л

Растворенное органическое в-во
мг/л
As
мкг/л

Хим. потребление кислорода
мг/л
Cd
мкг/л

Уд. электропроводность
мСм/м
Cr
мкг/л

PO43+
мг/л
Cu
мкг/л

NH4мг/л
Fe
мкг/л

NO3мг/л
Ni
мкг/л

Clмг/л
Pb
мкг/л

SO42мг/л
Zn
мкг/л

HCO3мг/л
Mn
мкг/л

K+
мг/л

Донные отложения

Hg
мг/кг
Pb
мг/кг

Ni
мг/кг
Cd
мг/кг

Zn
мг/кг
Fe
мг/кг

Cu
мг/кг
Mn
мг/кг

Cr
мг/кг
As
мг/кг

Согласно 
документу 
[15], 
мониторинг 
состояния 
недр 
при 

недропользовании рекомендуется проводить в трех зонах, что обусловлено 
интенсивностью 
ведения 
горных 
работ 
и 
размещением 
предприятий 

технологического цикла [1]:

зона I – зона непосредственного ведения горных работ и размещения 

других технологических объектов, влияющих на изменение состояния недр, в 
пределах границ горного отвода;

зона II – зона существенного влияния разработки месторождения на 

различные компоненты геологической среды;

зона III – периферийная зона. 
Анализ опыта разработки калийных месторождений в Канаде, Германии, 

Белоруссии и особенностей калийного производства позволяет заключить, что 
при создании системы мониторинга состояния окружающей среды по степени 
влияния также целесообразно выделять три зоны (рисунок 1.1).
Такое 

зонирование поможет оптимизировать систему мониторинга на территории 
месторождения, включая определение плотности наблюдательной сети, 
перечня компонентов и др.