ІВАНО-ФРАНКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ

ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ НАФТИ І ГАЗУ

Шкіца Леся Євстахіївна

УДК 551.131

ЕКОЛОГІЧНА БЕЗПЕКА ГІРНИЧОПРОМИСЛОВИХ

КОМПЛЕКСІВ ЗАХІДНОГО РЕГІОНУ УКРАЇНИ

Спеціальність: 21.06.01 - екологічна безпека

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Івано-Франківськ - 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Івано-Франківському національному технічному університеті

нафти і газу Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант:

Офіційні опоненти:

Провідна установа:

Захист відбудеться “ 25 ” вересня 2006р. о 1000 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради СРД 20.052.05 в Івано-Франківському національному технічному університеті нафти і газу за адресою:76019, м. Івано-Франківськ, вул. Карпатська,15.

З дисертацією можна ознайомитись в науково-технічній бібліотеці Івано-Франківського національного технічного університету нафти і газу за адресою: 76019, м. Івано-Франківськ, вул. Карпатська, 15.

Автореферат розісланий “ 22” серпня 2006.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради О.В.Паневник

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Для нашої держави на поточному етапі розвитку та в її найближчому майбутньому значну і все зростаючу роль буде мати проблема закриття гірничих підприємств та трансформації техногенних ландшафтів в природний стан, наскільки це можливо з точки зору технічних, технологічних, економічних умов в контексті вирішення пріоритетних екологічних проблем. Значна кількість гірничопромислових комплексів або вже реалізувала свій економічно доцільний ресурсний резерв корисних копалин, або потребують нової методологічної основи з точки зору реалізації екологічної безпеки довкілля. В Західному регіоні України в найближчі роки будуть послідовно ліквідовані вугільні шахти Львівсько-Волинського басейну, соляні рудники та кар’єри Передкарпаття, сірчані кар’єри, отже є необхідність визначення основних оптимізаційних заходів щодо керованого контролю станом довкілля після завершення гірничодобувної діяльності та ліквідації гірничопромислового комплексу. Головним і загальним недоліком існуючих досліджень є недостатня реалізація системного підходу в науковому вирішенні гірничо-екологічних завдань.

Вивчення та прогнозування небезпечних геологічних процесів та явищ є важливою складовою забезпечення екологічної безпеки території, зокрема, оцінка напружено-деформованого стану порід в місцях розвитку геомеханічних та інженерно-геологічних порушень і аналіз геохімічних змін в місцях накопичення гірничих відходів. Існує необхідність використання аналітичних та експериментальних досліджень для прогнозування стану довкілля в межах впливу гірничих підприємств та практична їх реалізація на гірничопромислових комплексах Західноукраїнського промислового регіону.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконана у відповідності до Постанови Кабінету Міністрів України від 31.08.1999 р. №1606 „Про Концепцію поліпшення екологічного становища гірничодобувних регіонів України” та „Програми екологічної реабілітації гірничодобувних регіонів України”. Наукові та методологічні основи геоекологічного аналізу гірничопромислових комплексів дослідженні в рамках держбюджетної тематики

Д-8-04-Ф „Дослідження нових технологій підвищення ефективності видобування вуглеводнів в тому числі з низькодебітних свердловин” (№держреєстрації 0104U004086). Виявлені потенційно-небезпечні зони розвитку деформацій з використанням методу природного імпульсного електромагнітного поля Землі на території Калуського гірничопромислового району (тема №2/2003-К „Проект на проведення комплексних геофізичних досліджень карстових явищ на території Прикарпаття та Закарпаття”, шифр об’єкту У-03-197/19).

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є розробка та впровадження наукових та методологічних основ екологічної безпеки гірничопромислових комплексів на стадії ліквідації (на прикладі гірничодобувних підприємств Західноукраїнського промислового регіону).

Для реалізації вказаної мети в роботі вирішуються наступні завдання:

· аналіз методів, засобів оцінки техногенних впливів гірничих підприємств на стан довкілля та способів відновлення території впливу;

· розробка наукових основ геоекологічного аналізу системи “гірниче підприємство – природне середовище” на різних стадіях функціонування;

· формулювання принципів екологічної безпеки гірничодобувних районів та методів контролю екологічної безпеки на стадії ліквідації гірничого виробництва;

· проведення комплексної оцінки впливу на довкілля процесу експлуатації соляних та сірчаних родовищ Передкарпаття;

· обґрунтування, дослідження, синтез методів керованого контролю техногенно-екологічною безпекою гірничопромислових комплексів;

· розробка наукового методу моделювання та прогнозування розповсюдження забруднення довкілля відходами гірничого виробництва;

· впровадження методів та заходів керованого контролю екологічною безпекою на території Яворівського та Калуського гірничопромислових комплексів.

Об’єкт дослідження – природно - техногенна система “гірниче підприємство – природне середовище” в межах Західноукраїнського регіону.

Предмет дослідження – методи та засоби забезпечення екологічної безпеки природно – техногенної системи гірничопромислового комплексу на стадії ліквідації.

Методи дослідження. Наукові основи аналізу природно – техногенних систем гірничопромислових комплексів ґрунтуються на використанні ретроспективного аналізу статистичної інформації про динаміку розвитку антропогенних змін природних компонентів в межах впливу гірничих комплексів, логічному аналізі літературних джерел та існуючих нормативних документів з обраного наукового напрямку. Методи числового моделювання використовувались для прогнозування розповсюдження забруднень довкілля шкідливими витоками із сховищ відходів гірничого виробництва та лежать в основі розробленого методу оцінки розповсюдження забруднень. Геофізичні дослідження методом природного імпульсного електромагнітного поля Землі дозволили оцінювати напружено-деформований стан гірських порід гірничопромислових районів. Картографічне моделювання лежить в основі створеної автоматизованої інформаційно-довідкової системи гірничого комплексу.

Основні положення, що захищаються:

· Методологія геоекологічного аналізу гірничопромислових комплексів.

· Принципи та методи контролю екологічної безпеки гірничодобувних районів.

· Нові способи моделювання та прогнозування забруднень довкілля відходами гірничого виробництва.

· Наукове обґрунтування трансформації природно-техногенних систем гірничих комплексів.

· Методи керованого контролю станом природно-техногенної системи гірничопромислового комплексу.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

- вперше розроблені наукові основи геоекологічного аналізу гірничопромислового комплексу на різних стадіях функціонування, які базуються на розгляді природно-техногенної системи гірничого комплексу з точки зору ієрархічної, функціональної, компонентної структур з визначеними функціональними характеристиками антропогенних змін складових довкілля і дозволяють розробляти, впроваджувати ефективні методи та засоби моніторингу територій порушених гірничодобувною діяльністю;

- вперше розроблено метод прогнозування гідрохімічної ситуації в зоні впливу відходів гірничого виробництва на основі математичного моделювання гідродинамічних процесів фільтрації рідини в пористому середовищі через розв’язок задачі про дію плоского джерела, що вважався практично неможливим внаслідок складності аналітичного розв’язку просторової моделі;

- встановлено закономірності фільтрації шкідливих витоків з хвостосховищ в процесі формування ареалу забруднення ґрунтових вод, де джерелом шкідливих витоків вважається площа дна хвостосховища, яка моделюється множиною паралельних ліній, розташованих в одній площині з деяким кроком, на відміну від відомих раніше досліджень, що нехтували вивченням першоджерела формування ареалів розсіювання;

- набула подальшого розвитку методологія оцінки екологічної безпеки гірничого комплексу на основі аналізу зон техногенного впливу навколо окремих техногенних об’єктів гірничого комплексу та формування екологічної інформаційної системи гірничого комплексу з метою розробки програми відновлення втрачених властивостей природних ландшафтів у відповідності із характером змін;

- удосконалені принципи керованого контролю екологічною безпекою гірничопромислового комплексу, які ґрунтуються на врахуванні вимог в межах державних законів і програмних документів, виділенні і локалізації найбільш процесонебезпечних територій з проведенням оцінки техногенного ризику територій впливу гірничопромислових комплексів.

Практичне значення одержаних результатів:

- систематизовані порушення геологічного середовища в районах розробки родовищ корисних копалин з врахуванням складових технологічного процесу видобутку породи та причинно - наслідкових схем формування порушень природного довкілля, які дозволять ефективно накопичувати та використовувати геоекологічну інформацію про стан довкілля;

- проведено комплексний екологічний аналіз гірничих комплексів Передкарпатської соленосної та сірконосної провінцій з точки зору їх впливу на екологічний стан геологічного середовища, який дозволив виділити зони з розвитком небезпечних геологічних процесів та запропонувати заходи щодо керованого контролю та управління екологічною безпекою Яворівського та Калуського гірничопромислового районів;

- запропонована методика та створений алгоритм реалізації математичної моделі розповсюдження забруднень від місць накопичення відходів гірничого виробництва дозволяють проводити прогнозні розрахунки для неоднорідних пористих середовищ з врахуванням фільтрації потоку ґрунтових вод та прогнозувати формування ареалів забруднень в реальних умовах;

- проведені еколого-геофізичні дослідження в районах розробок відкритим методом калійних та сірчаних родовищ дозволили визначити напружено-деформований стан гірських порід в зонах впливу гірничих підприємств та виділити процесонебезпечні ділянки;

- результати науково-дослідної роботи використовуються в навчальному процесі, як навчальні елементи дисциплін „Мінерально-сировинні ресурси” та „Регіональна екологія і природні ресурси України”;

- розроблена автоматизована інформаційна довідкова система гірничопромислового комплексу на стадії завершення експлуатації дозволяє виробляти екологічно оптимальні рішення на етапі ліквідації підприємства і використовується для оперативного задоволення потреб зацікавлених організацій та громадян щодо стану навколишнього середовища державним управлінням екології і природних ресурсів в Івано-Франківській області;

- запропоновані для розгляду доповнення до нормативних актів: „Гірничого закону України”, „Кодексу України про надра”, проекту закону “Про ліквідацію гірничих підприємств” на основі аналізу нормативно - правового забезпечення ліквідаційного процесу гірничого комплексу та проведених теоретичних досліджень.

Особистий внесок здобувача полягає у розробці наукових та методологічних основ екологічної безпеки гірничопромислових комплексів та способів їх впровадження. Дисертація виконана з використанням фактичного матеріалу, зібраного автором під час навчання в магістратурі Гірничого інституту (м.Алес, Франція) за спеціальністю „Безпека і охорона навколишнього природного середовища в гірництві” (2000-2001р.), проходження наукового стажування в Краківській гірничо-металургійній Академії ім.Сташіца (Польща) на тему „Екологічна безпека сірчаних та соляних комплексів Польщі”(2002,2003р.), так і в бібліотеках різних наукових та виробничих установ. Ідея роботи, постановка проблеми та шляхи її вирішення запропоновані автором. Експериментальні та прикладні дослідження, їх впровадження проводились за безпосередньою участю здобувача.

Особистий внесок здобувача у роботах, опублікованих у співавторстві, полягає в наступному: [1,24] - науково-методологічні основи системного підходу з метою розв’язку природоохоронних завдань гірничих комплексів; [2] - аналіз досвіду Франції у вирішенні питання реабілітації земель порушених гірничими роботами та способів подолання негативних явищ спровокованих гірничодобувною діяльністю; [3] - методологічні підходи до оцінки техногенно-екологічної безпеки соледобувних комплексів; [4] - функціональна структура природно-техногенних систем гірничих комплексів; [5] - оцінка екологічної ситуації гірничопромислових комплексів сірчаної галузі, які знаходяться на стадії ліквідації; [6] - методика керуючого контролю станом геологічного середовища гірничого комплексу після завершення експлуатації родовища; [7] - аналіз мінерально-сировинного комплексу Західного регіону України та систематизація екологічних проблем гірничопромислових районів; [11] – розробка механізму прогнозування зсувів; [12, 19, 24] - планування експериментів з дослідження напружено-деформованого стану території Домбровського кар’єру та виявлення потенційно-небезпечних зон розвитку деформацій; [16] - постановка завдання, розробка алгоритмів розрахунку; [17,18,26] - систематизація порушень геологічного середовища в районах розробки калійних родовищ при різних режимах розробки; [22] - аналіз та перелік аварій, пов’язаних з функціонуванням гірничих комплексів.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи були представлені на IX науково-практичній конференції по моделюванню в прикладних наукових дослідженнях „НЕДРА-2002” (Одеса); V-ому Севастопольському Міжнародному семінарі „Фундаментальные и прикладные проблемы мониторинга и прогноза природных, техногенных и социальных катастроф” „СТИХИЯ-2002” (Севастополь); міжнародній науково-практичній конференції „The Carpathian geodata. Unification and evaluation for energy and environmental purposes” – „CARTA” (Яремча - 2002); міжнародному симпозіумі „Environnement – securite, protection et gestion” (Клуж - Напока - 2002, Румунія); республіканській науково-практичній конференції „Регіональні рекреаційні зони Українських Карпат: проблеми геоекології і масового медико-оздоровчого використання” (Івано-Франківськ - 2003); 14-th International Scientific and Technical Conference (Закопане – 2003, Польща), Форумі гірників – 2003 (Дніпропетровськ); ІІІ Всеукраїнській науково-методичній конференції „Безпека життя і діяльності людини – освіта, наука, практика” (Рівне – 2004); науково-практичній конференції „Сучасний стан навколишнього природного середовища промислових та гірничопромислових регіонів. Проблеми та шляхи вирішення” (Алушта – 2004); 4-міжрегіональній нараді „Екологічні і техногенні проблеми регіонів України в аспекті національної безпеки та шляхи їх вирішення”(Львів-2006).

Публікації. Результати дисертації опубліковані в 1 монографії, 17 статтях у наукових журналах, 3 збірниках наукових праць, 6 матеріалах конференцій, в тому числі 20 статей у фахових виданнях, з них 8 одноосібних.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, 5 розділів, висновків, списку використаних джерел з 302 найменувань на 30 сторінках, 5 додатків на 56 сторінках. Повний обсяг – 378 сторінок, з них основний текст – 291 сторінка. Робота містить 53 рисунки та 12 таблиць (з них 30 на окремих сторінках).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані мета, ідея та завдання досліджень, наведена наукова новизна і практична значимість, а також результати апробації та реалізації основних положень роботи.

У першому розділі проведений аналіз методів, засобів оцінки техногенних впливів гірничих підприємств на стан навколишнього середовища та способів відновлення території впливу.

Встановлено, що екологічний стан більшості гірничопромислових комплексів є критичним, а розширення масштабів порушення навколишнього середовища надалі випереджає ріст об’ємів та ефективності природоохоронних робіт. Негативні наслідки результатів гірничої діяльності безпосередньо пов’язані із складним технологічним процесом видобутку породи, який на сьогодні ведеться трьома методами: підземна розробка родовищ; відкрита розробка, геотехнологічний метод і формує такі джерела підвищеного екологічного ризику, як кар’єр, шахта, зони накопичення відходів виробництва (відвал, хвостосховище).

Проведений аналіз аварій та катастроф спровокованих гірничопромисловою діяльністю та систематизація екологічних наслідків цієї діяльності вказує на необхідність оцінки напружено-деформованого стану порід в місцях розвитку геомеханічних та інженерно-геологічних порушень та оцінки геохімічних змін в місцях накопичення гірничих відходів. Вивчення та прогнозування небезпечних геологічних процесів та явищ є важливою складовою забезпечення екологічної безпеки території.

Вчасно організовані спостереження дозволяють своєчасно прогнозувати і оцінювати характер і ступінь безпечності виникаючої ситуації та рекомендувати міри захисту. На сьогоднішній день достатньо широке розповсюдження отримали такі методи визначення показників екологічного стану довкілля: експериментальні (здійснюються за допомогою технічних засобів вимірів та контролю); розрахункові (здійснені за допомогою розрахунків з використанням параметрів, що знайдені іншим методом); експертні (базуються на врахуванні думок групи спеціалістів); органолептичні (не передбачають використання технічних засобів вимірювань та контролю).

Гірничопромислова діяльність завжди приводить до зміни напруженого стану та деформаційних властивостей порід, які можуть привести до просідань земної поверхні над гірничими виробками, провалів, зсувів бортів кар’єрів і т.д. Вивчення напружено-деформованого стану масиву гірських порід лежить в основі виявлення різних геодинамічних явищ та дозволяє оцінювати та прогнозувати стабільність території.

Важливо вміти прогнозувати процеси геодинамічної активності гірських порід з метою попередження аварійних ситуацій. Геофізичні методи останнім часом знаходять все більш широке використання у вивченні цієї проблеми. Метод природного імпульсного електромагнітного поля Землі доведений до практичного використання для рішення різних завдань, щоб отримати уточнену інформацію щодо розподілу зон підвищеного напружено-деформованого стану гірських порід і зон релаксації напружень для визначення меж території з можливим розвитком деформаційних процесів, а також визначити просторову неоднорідність в загальному полі механічних напружень. Головною перевагою вказаного методу варто вважати можливість проведення оперативного контролю геодинамічного стану довкілля гірничого комплексу.

Негативний вплив на геологічне середовище мають відвали, ставки-накопичувачі соляних відходів (розсолів), які є джерелами засолення ґрунтів та підземних вод. При створенні сховищ шкідливих відходів виробництва у відкритих водоймах спостерігається проникнення рідини через дно водойми в грунт і подальша її фільтрація з формуванням ареалу. З екологічної точки зору важливе значення має форма і розміри ареалу, розподіл концентрації шкідливих відходів і термін формування.

З метою обґрунтування заходів, спрямованих на охорону підземного водяного басейну від засолення в районах розробки родовищ, необхідно мати достовірний прогноз зміни в часі гідрохімічної ситуації в зоні впливу солевідвалів, акумулюючих басейнів, хвостосховищ. В зв’язку з цим виникає необхідність оцінити розміри і час формування зони розповсюдження засолених підземних вод. Закономірності формування ареалу забруднень ґрунтових вод шкідливими витоками з хвостосховищ доцільно вивчати, використовуючи математичне моделювання гідродинамічних процесів фільтрації рідини в пористому середовищі. Лабораторні дослідження не зможуть дати реальної картини гідродинамічного процесу в зв’язку з необхідністю дотримання умов геометричної і гідродинамічної подібності одночасно. Натурні дослідження не дають змогу отримати загальну картину процесу.

Слід підкреслити, що в роботі використовуються аналітичні та експериментальні дослідження для прогнозування стану довкілля в межах впливу гірничих підприємств і практично реалізуються на гірничопромислових комплексах Західноукраїнського промислового регіону.

В межах Прикарпаття основу сировинної бази складають соленосні та сірконосні родовища, які на сьогодні знаходяться на стадії ліквідації і вимагають вирішення проблеми забезпечення екологічної безпеки та відновлення порушених територій.

В процесі ліквідації гірничопромислового комплексу необхідно усунути негативні екологічні наслідки гірничих робіт, запобігти негативним явищам, які супроводжують самовідновлення ландшафту після припинення робіт з підтримки екологічної рівноваги та створити новий техногенний ландшафт у відповідності із цільовим призначенням. Проблемам забезпечення екологічної безпеки на стадії ліквідації калійних родовищ присвячені роботи Семчука Я.М., Кориня С.С., особливо що стосується ліквідації підземних рудників. Проекти рекультивації сірчаних кар’єрів розробляли Гайдин А.М., Зозуля І.І. Питанням інженерного захисту сірчаних та соляних родовищ Передкарпаття присвячені роботи Рудька Г.І. та Бондаренко М.Д., але варто відмітити їх вузьке спрямування в плані вирішення окремо взятої проблеми, спровокованої гірничодобувною діяльністю. Відмінність даної роботи від розглянутих полягає в комплексному підході до питання охорони довкілля в межах гірничопромислових комплексів з певними елементами універсальності і адаптації цих об’єктів до реальних об’єктів.

Відповідно до вимог діючого природоохоронного законодавства всі землі порушені в результаті добування та переробки корисних копалин, підлягають відновленню. Відновлений ландшафт виникає як результат взаємодії комплексу ліквідаційних, відновлювальних і рекультиваційних робіт після завершення експлуатації родовища з процесами природного самовідновлення. Програма ліквідації гірничопромислового підприємства повинна забезпечувати фізичну і хімічну стабільність порушених територій, регулювати гідрогеологічні та гідрологічні стосунки, пропонувати систему моніторингу, зведену до необхідного мінімуму. Майбутній власник території повинен знаходити інформацію по опису небезпек і умов використання території. Програма ліквідації підприємства є системним опрацюванням, що містить відношення до прав власності на наявні споруди, залишкові запаси; оцінку ризику для середовища; технологію ліквідації; методи і засоби моніторингу; умови використання після ліквідації.

В питаннях ліквідації гірничих підприємств країни Західної Європи є добрим прикладом для переймання досвіду, так як вони пройшли різні стадії розвитку та функціонування гірничодобувної галузі та на власному досвіді навчилась усувати негативні явища від гірничої діяльності. Такі держави, як Франція, Німеччина, Великобританія володіють науково-методичною та правовою базою для забезпечення екологічної безпеки закритих гірничопромислових підприємств та практичним досвідом по відновленню деградованих гірничою діяльністю територій, а також вмінням надавати новий подих життя зруйнованим територіям.

В світовому масштабі, найбільший доробок в напрямку розробки проектів рекультивації сіркодобувних комплексів та їх реалізації належить польським науковцям. Варто відмітити їх беззаперечне лідерство, тому досягнення польських колег можуть бути використані для ліквідації екологічних наслідків сіркодобувної промисловості в інших державах, зокрема Україні. Реалізовані процеси ліквідації гірничих виробок, що представлені в роботі, разом з рекультивацією деградованих територій та знешкодженням відходів виробництва дозволили створити привабливий та безпечний ландшафт для подальшого рекреаційного використання.

Очевидно, необхідний нетрадиційний підхід до оцінки ефективності гірничого виробництва, враховуючи пряме та опосередковане втягнення багатьох природних ресурсів в процес добування та переробки корисних копалин, використання цих природних ресурсів. Іншими словами, необхідно проектувати, оцінювати ефективність і створювати не окреме гірниче підприємство, а природно-техногенну систему, в якій взаємодіють технологічні, техногенні і природні елементи та процеси.

Загальним для всіх існуючих науково-технічних рішень з вирішення завдань охорони довкілля та оптимізації техніко-технологічних чинників є або їх вузька направленість (по галузевим інтересам, по окремих напрямках впливу на природне середовище), або відсутність єдиної наукової основи при більш широкому підході. Головним і загальним недоліком є недостатня реалізація системного підходу в науковому вирішенні гірничо-екологічних завдань.

Результати проведеного аналізу дали можливість сформулювати значимість наукової проблеми та основні напрямки досліджень.

У другому розділі викладено наукові та методологічні основи геоекологічного аналізу природно-техногенних систем гірничопромислових комплексів.

Гірничопромисловий комплекс автором розглядається як природно-техногенна система (ПТС), що має обмежений період існування і розглядається на стадії проектування, оптимального функціонування, ліквідації. Природна система представляє сукупність природних ресурсів і процесів, які в них відбуваються, а також показників, які описують стан природних ресурсів та процесів. Під техногенною системою розуміють гірничий комплекс із всіма його об’єктами та процесами, об’єднуючими ці об’єкти та їх елементи. Елементи, як в природних, так і в технологічних системах пов’язані певними залежностями, процесами, які змінюються в часі та в просторі. Структура системи, тобто відношення її елементів, є просторово-часовою. Просторовий аспект відображає порядок розташування елементів у системі, часовий – зміну стану системи з часом і як наслідок рух системи. При цьому теоретичні аспекти проблеми базуються на розгляді системи з точки зору ієрархічної, функціональної та компонентної структур (рис.1).

Рис. 1. Структура природно-техногенної системи

гірничопромислового комплексу

Реальний процес формування та розвитку ПТС супроводжується закономірним використанням природних ресурсів та антропогенними змінами біогеоценозів природних ландшафтів або властивостей екосистеми зі сторони об’єктів природи. Причому характер змін та обумовлений регіональними особливостями трансформованих природних ландшафтів. В реальних умовах число нагромаджених локальних змін , а також послідовність їх проявів та характер змін - випадкові фактори та їх статистичні характеристики зв’язані із функцією екологічної надійності системи.

В такій постановці, накопичувані локальні зміни , можна розглядати як систему із закономірною тенденцією зниження стійкості по відношенні до зовнішнього техногенного впливу. Поступово в системі формується перехід із одного стану в інший, спочатку без явного накопичення антропогенних змін, тобто рівновага системи не порушується, дальше відбувається локальна втрата рівноваги ( ) і кінцевий варіант – це перехід системи в граничний стан.

Надійність системи розкривається в ряді таких властивостей як: стійкість, рівновага, живучість, безпека і є задачею, яка відноситься до класу інженерно-технічного забезпечення природоохоронних функцій. Методологічною основою теорії надійності є дослідження потоків відмов або втрат для ПТС гірничого комплексу. За накопиченою інформацією про екологічні втрати приходиться вирішувати дві задачі. Перша з них – статистична оцінка екологічної ситуації в ПТС за результатами обмеженого екологічного контролю. Існує два варіанти постановки цієї задачі: встановлення відповідності характеристики екологічної безпеки системи заданим вимогам і визначення кількісних критеріїв наставання часткових і повних відмов. В першому варіанті розв’язок звичайно шукається шляхом використання методу оцінки параметрів розподілу шляхом співставлення результатів експериментальних досліджень із даними попереднього інженерного прогнозу.

Друга задача - за результатами інженерно-екологічних досліджень розробити заходи по забезпеченню надійного захисту складових довкілля. Варто відмітити, що екологічний регламент функціонування гірничопромислового комплексу характеризується допустимими антропогенними рівнями відповідних факторів, тому важливо, щоб функціональні характеристики не були зростаючими функціями часу антропогенних змін.

Аналіз таких факторів та функцій методологічно оправданий із позиції теорії надійності складних систем із накопиченням порушень, так як в його основі лежить припущення про те, що поява порушень не викликає моментальної відмови системи (будь-якому об’єкту природи властивий захисний механізм, який забезпечує локальну опірність, адаптацію, компенсаційну можливість).

Вивчення техногенних порушень довкілля в їх взаємозв’язку із структурою гірничого виробництва дозволило встановити, що вплив відбувається по напрямках, які відповідають природним ресурсам, залученим прямо або опосередковано в виробничий процес. Навколо кожного технологічного об’єкту формується, як правило, декілька зон техногенного впливу на компоненти природи (зона забруднення атмосфери, зона відчуження земель, зона геохімічного забруднення і т.д.). Кожному джерелу впливу на оточуюче середовище може відповідати декілька зон техногенного впливу. Отже, основою екологічного аналізу та прогнозування є виділення зон техногенного впливу від окремих джерел гірничого підприємства, зокрема технологічних об’єктів, зон накопичення відходів, технологічних операцій.

Закономірний процес техногенно-антропогенних змін природно-техногенної системи в період її експлуатації обумовлює об’єктивну необхідність відновлення втрачених властивостей природних ландшафтів у відповідності із характером змін. Суть відновлення системи полягає в тому, щоб шляхом направлених організаційно-технічних дій попередити прояв небезпечних порушень стійкості системи і забезпечити збереження її екологічної безпеки. При цьому слід виділити дві форми екологічного відновлення: природне – за рахунок власних ресурсів природи і штучне – за рахунок керування техногенними процесами.

Розробка чіткої зональної класифікації території гірничопромислового комплексу дозволить вибрати екологічну модель відновлення території. Наприклад, перший тип території - ландшафти, які володіють високими рекреаційними показниками. Збереженість їх повинна забезпечуватись інженерним облаштуванням, постійним відновленням рослинного покриву, локалізація джерел підвищеного навантаження на грунтово-рослинні комплекси. Інший тип ландшафтів – ландшафти, які можуть використовуватись для отримання сільськогосподарської продукції. Слід також виділити зони ландшафтів придатних для промислового та цивільного будівництва та ландшафти для створення кутків дикої природи. Звичайно, у виділенні зон майбутнього використання території слід враховувати географічне районування. Кожна екологічна група, що відповідає конкретній зоні освоєння території, однозначно визначає допустимий рівень техногенного впливу та критичні розміри зміненого ландшафту.

Детальний аналіз стану навколишнього середовища території гірничопромислового комплексу в період завершення періоду оптимального функціонування підприємства служить вихідними параметрами з розробки плану ліквідації та технічної програми рекультивації.

Вихідними даними для проведення моніторингу є карти розміщення об’єктів техногенного впливу, якими є гірничі виробки, зони накопичення промислових відходів з короткою інформацією кожного з них (висота (м), ширина (м), площа заснування (м2), об’єм складеної породи (м3)). Результатом проведених досліджень є карти з виділенням зон техногенного впливу кожного джерела. Ця інформація є складовою інформаційно-довідкової системи по території комплексу на період завершення експлуатації. Частина інформації буде представляти наявні екологічні втрати природно-техногенної системи, наприклад, виділенні зони закислення (глибина, площа, інтенсивність розповсюдження), ареали забруднення ґрунтів, ґрунтових вод, провали (глибина (м), діаметр (м), кут нахилу (градус), площа (м2)). Обов’язковою умовою моніторингу є виділення втрат потенційних, що представляються у вигляді виділених зон напружено-небезпечних ділянок території.

Післяліквідаційна система геоекологічного моніторингу залежить від реалізованої програми відновлення території. У випадку відсутності належного та вчасного фінансування рекультиваційних робіт необхідною умовою залишається питання вивчення процесів самовідновлення елементів довкілля: гідрогеологічний режим регіону, активізація зсувонебезпечних процесів. Контроль якості вод залишається першочерговим завданням в післяліквідаційний період.

Необхідною організаційно-методичною та матеріально-технічною основою керування процесами формування та розвитку ПТС є інформаційно-діагностичне забезпечення (ІДЗ), що складає комплекс направлених заходів по накопиченню та ефективному використанню різнохарактерної інформації. Структура ІДЗ реалізується через безпосередній збір інформації, використання її початкових видів оцінки стану об’єктів та вирішення задач регулювання та ефективного керування формуючих процесів. На основі ІДЗ вирішуються завдання: оптимального нормування, раціонального планування, а також оперативного та довгострокового прогнозування показників стану системи.

У третьому розділі запропоновані способи моделювання та прогнозування розповсюдження забруднень довкілля шкідливими витоками із сховищ відходів гірничого виробництва.

Відходи гірничого виробництва, такі як відвали, акумулюючі басейни, хвостосховища часто є джерелами гідрохімічних змін в зоні впливу. Експлуатація вказаних об’єктів ставить такі практичні важливі задачі, як термін формування ареалу забруднень, радіус розповсюдження забруднення і розподіл концентрації в просторі. Поставлені задачі з врахуванням багатофакторного впливу параметрів на процес формування ареалу забруднень можуть бути вирішені тільки на основі математичного моделювання, оскільки фізичні лабораторні моделі не дозволяють забезпечити подібності за критеріями гомохронності і використовуються лише для оцінки певних констант, промислові дослідження не забезпечують варіацію всіх параметрів, що впливають на процес.

При створенні математичної моделі формування ареалу шкідливих витоків з сховища прийнято наступні припущення:

-

-

-

В основу математичної моделі покладено рівняння нестаціонарної плоскої фільтрації рідини в пористому середовищі, в якій джерело моделюється за допомогою функцій Дірака.

Будемо вважати, що до початку дії джерела () система знаходиться в спокої і швидкість фільтрації у всіх точках площини була рівна нулю, тобто . Нехай в процесі дії джерела поверхня ґрунту залишається непроникною, тобто при маємо .

Очевидно, дно хвостосховище не можна вважати точковим джерелом при заданні граничних умов на безмежності по лінійних координатах. За таких умов результати моделювання будуть неадекватними, а врахування геометричних розмірів джерела при вирішенні об’ємної задачі надто ускладнює її реалізацію. Тому необхідні певні спрощення моделі з метою досягнення можливості її реалізації.

Першим спрощенням є перехід від об’ємної задачі до плоскої її постановки. Очевидно, що по довжині хвостосховища можна зробити ряд паралельних перерізів в вертикальній площині, для кожного з яких можлива реалізація двомірної задачі. Така постановка завдання дозволяє представити об’ємну задачу через реалізацію ряду плоских задач. Перерізів можна вибрати багато з невеликим кроком між ними, що практично адекватне реалізації трьохвимірної задачі. На практиці вказані перерізи достатньо вибрати тільки в характерних місцях хвостосховища, що відрізняються геометричними розмірами, умовами гідроізоляції дна і т.д. Таким чином, вказане спрощення не приводить до зниження точності отриманих результатів чи порушення адекватності фізичної картини процесу формування ареалу забруднень.

Другим суттєвим спрощенням є розділення загального процесу формування ареалу забруднень на складові. Оскільки, концентрація інгредієнтів в дифузійному процесі і швидкість фільтрації рідини лінійно пов’язані між собою, то доцільно побудувати поле швидкостей фільтрації рідини і потім при необхідності перейти до поля розподілу концентрацій, використовуючи експериментальні значення ефективного коефіцієнту дифузії. Таким чином, можна суттєво спростити математичну модель без втрати точності в отриманні результатів прогнозування.

Джерелом шкідливих витоків вважається площа дна хвостосховища, яка моделюється множиною паралельних ліній, розташованих в одній площині з деяким кроком (рис.2). Розглядається плоска задача в середовищі нормального перерізу хвостосховища і області формування ареалу забруднень, в якій джерелами забруднень вважаються точкові джерела. Тому на початковому етапі розглядається математична модель розповсюдження витоків в пористому середовищі від одного точкового джерела. Довкілля вважається однорідним пористим середовищем, в якому відсутній рух ґрунтових вод. Отримані розв’язки дозволили реалізувати більш складну і більш реальну задачу фільтрації витоків в пористому середовищі при дії плоского джерела витоків. Таким чином, розв’язано задачу про фільтрацію витоків в пористому середовищі для випадку, коли джерелом витоків є площина.

Рис.2. Розрахункова схема плоского джерела фільтрації

Швидкість фільтрації в системі координат є розв’язком поставленої задачі:

. (1)

де - питома інтенсивність джерела, - коефіцієнт, що характеризує масообмін з атмосферою.

Результати розрахунків процесу формування ареалу забруднень (рис.3) показують, що швидкість фільтрації має максимальне значення 100 на границі джерело-грунт і в подальшому різко зменшується. На відстані по вертикалі 1 м величина швидкості фільтрації зменшується на 48-50. Різке падіння швидкості фільтрації спостерігається до відстані по вертикалі близько 3-4 м.

На цій відстані швидкість зменшується до 20-25 від максимальної, а в подальшому спостерігається більш плавне її падіння. Так на відстані наступних 4 м швидкість фільтрації зменшується до 6-8. В горизонтальному напрямку картина аналогічна.

Розрахунки, виконані для різних величин проникливості ґрунту, показали, що на геометричні розміри ареалу і характер розподілу швидкостей фільтрації забруднень проникність в межах її реальної зміни, впливу немає. Однак, зменшення проникності середовища призводить до зростання часу формування ареалу забруднень. Так, при проникності 0,5 дарсі повний безрозмірний час формування ареалу забруднень складає , в тому числі тривалість першої фази . При зменшенні проникності до 0,25 дарсі повний безрозмірний час формування ареалу забруднень зростає до в тому числі тривалість першої фази .

а) величина швидкостей фільтрації

б) лінії рівних швидкостей фільтрації

Рис. 3. Динаміка формування ареалу забруднень

Для обчислення інтегралів було розроблено алгоритми та програми з підпрограмами, які написані на алгоритмічній мові ФОРТРАН – 77. Основна програма TENST1 дозволяє формувати глобальні параметри для підпрограм, а також вести розрахунки числовими методами для обчислень складних інтегралів. За підпрограмами закріплені локальні функції обчислення деяких виразів.

Лінійне джерело витоків формується з точкових джерел, розміщених на горизонтальній площині з кроком . Першочерговим завданням в цьому плані є визначення інтенсивності кожного з точкових джерел, їх необхідної кількості та кроку між ними. Очевидно, що для забезпечення адекватності моделі необхідно виходити з сумарної кількості витоків Qp за певний проміжок часу (наприклад, за рік). Відтак, припускаючи часову рівномірність дії точкового джерела, можна визначити його інтенсивність в вигляді:

, (2)

де k – коефіцієнт нерівномірності, що враховує сезонну нерівномірність коливання температури; n – число точкових джерел в моделі лінійного джерела.

Щодо вибору відстані між точковими джерелами в моделі лінійного джерела, то її доцільно вибирати такою, щоб дискретність точкових джерел не вносила в результати розрахунку похибку, співставну з точністю обчислень. Очевидно, що крок між точковими джерелами під даним кутом зору залежить від кроку координатної сітки. Аналіз результатів розрахунків по моделі показав, що якщо крок між точковими джерелами в моделі лінійного джерела прийняти не більшим від 20% кроку координатної сітки, то спотворення від дискретності точкових джерел внесуть похибку в результати розрахунків швидкості фільтрації, яка не перевищить 0,5%. Тому рекомендовано при моделюванні лінійного джерела дискретним набором точкових джерел крок між останніми вибирати з умови: , де х і y – кроки координатної сітки. Тоді кількість точкових джерел в моделі лінійного джерела загальною довжиною lg визначиться з умови: .

Іншими параметрами моделі, що визначають її адекватність, є проникливість ґрунту k, в’язкість фази , густина і швидкість розповсюдження звуку в середовищі с, які утворюють коефіцієнт п’єзопровідності. Якщо проникливість ґрунту можна вважати сталою на протязі деякого проміжку часу за рік, то в’язкість та густина рідкої фази будуть змінними, оскільки спостерігатиметься процес змішування витоків з ґрунтовими водами. Змінність густини рідини призведе до нестійкості швидкості звуку в середовищі. Тому, коефіцієнт п’єзопровідності не буде сталим на протязі тривалого проміжку часу. Однак, розрахунки показують, що його величина буде суттєво змінюватись тільки для початкових моментів часу, а в подальшому стабілізується і підтримуватиметься на приблизно сталому рівні.

На основі залежності отриманої для швидкості фільтрації витоків виконуються обчислення величини швидкості фільтрації в кожному з вузлів координатної сітки окремо від точкового джерела. Напрямок вектора швидкості фільтрації визначає пряма лінія, що з’єднує даний вузол координатної сітки з джерелом. Це дає змогу встановити величини плоских кутів між векторами швидкості фільтрації в кожнім вузлі координатної сітки від кожного з точкових джерел і знайти геометричну суму цих векторів, яка визначить результуючий вектор швидкості фільтрації для даного вузла координатної сітки. Таким чином, в результаті розрахунків отримаємо поле швидкостей фільтрації, які графічно представлені у вигляді ізоліній.

Якщо при прогнозуванні формування ареалу забруднень довкілля необхідно враховувати горизонтальну фільтрацію ґрунтових вод, то слід скористатися принципом незалежності рухів. Вектор вертикальної фільтрації шкідливих витоків в кожній точці координатної площини направлений нормально до побудованої ізолінії. Напрямок вектора горизонтальної фільтрації ґрунтових вод в загальному випадку відомий. Тому для отримання вектора сумарної швидкості в кожній точці координатної площини необхідно знайти геометричну суму вказаних векторів. Отже, створена математична модель дозволяє прогнозувати формування ареалу шкідливих витоків з сховищ відходів виробництва.

У четвертому розділі приведений детальний аналіз екологічної безпеки соляних та сірчаних гірничих комплексів Західноукраїнського регіону.

Розробка калійних родовищ Передкарпаття здійснювалась підземним способом на рудниках Калуш, Голинь, Ново - Голинь та Стебницьких рудниках СтКР-1 і СтКР-2. Вироблений простір рудника Калуш заповнено насиченими розсолами, таким же чином здійснюється ліквідація рудника Ново - Голинь з об'ємом вироблених порожнин 12,0 млн.м3. Відкрита розробка родовищ калійних солей вперше у світовій практиці здійснюється на Прикарпатті Домбровським кар’єром, який почав функціонувати у 1967 році розміром у плані 100х100 м. На протязі кількох останніх років гірничодобувні підрозділи та переробний комплекс не працюють, а самі підприємства знаходяться на стадії закриття.

Підземна розробка викликає перерозподіл напруг над підземними гірничими виробками; проходять деформування і переміщення всієї маси порід і земної поверхні. Процес зсуву приводить до утворення зон порушення суцільності порід. В покрівлі гірничих виробок утворюються зони завалів, тріщин і проходить розшарування порід. Внаслідок осідання земної поверхні трансформується рельєф, змінюються інженерно-геологічні властивості порід та режим підземних вод. Пропорційно з осіданням земної поверхні зменшується глибина залягання рівня ґрунтових вод. На площах з неглибоким заляганням підземних вод розвиваються процеси підтоплення, заболочування і затоплення земель. Збільшення впливу на довкілля при підземній розробці калійних родовищ, відбувається внаслідок прориву в гірничі виробки агресивних вод до соляних порід. Цей вплив проявляється насамперед, у формуванні на поверхні землі провальних карстових лійок і мульд зсуву. Значні зміни при цьому відбуваються в гідродинамічному режимі надсолевих вод, а саме: інтенсивне зниження напорів надсолевих вод у межах великих площ, зростання швидкості фільтрації, збільшення ступеню взаємозв’язку поверхневих та підземних вод, поява нових областей живлення і розвантаження водоносних горизонтів, обезводнення верхніх зон гідрогеологічних структур. Екологічні проблеми при відкритій розробці родовищ висвітлені в таблиці 1.

Таблиця 1

Природні та техногенні фактори, що викликають зміни компонентів довкілля

при відкритій розробці калійних солей в Домбровському кар’єрі

№ | Фактори |

Характер змін довкілля

1 |

Висока розчинність і міграційна здатність калійних солей | - підвищення мінералізації та густини природних вод,

- формування багатокомпонентних розчинів,

-