Методологические основы восстановления нарушенных территорий для градостроительства тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.22, доктор наук Оленьков Валентин Данилович

• Оленьков Валентин Данилович
• доктор наук
• 2019

Оглавление диссертации доктор наук Оленьков Валентин Данилович

Введение

Глава 1. Нарушенные территории агломераций и современные тенденции их использования в градостроительстве

1.1. Состояние проблемы освоения нарушенных территорий

1.2. Нарушенность территорий городов

1.3. Неблагоприятное воздействие нарушенных территорий на природно-территориальный комплекс

1.4. Градостроительное использование нарушенных территорий

(отечественный и зарубежный опыт)

Глава 2. Методологические основы восстановления и использования

нарушенных территорий

2.1 Проблемы классификации нарушенных территорий

2.2. Метод морфологического анализа и разработка классификации нарушенных территорий

2.3. Аэрация как ведущий фактор освоения карьерных выемок

2.4. Геометрические параметры карьерных выемок

2.5. Методика выбора направлений использования каменных карьеров

2.6 Перспективы использования каменных карьеров в градостроительном

планировании

Глава 3. Теоретическое и экспериментальное решение задач аэрации

нарушенных территорий

3.1. Типология техногенного рельефа, формы рельефа и его геометрические параметры

3.2. Воздействие техногенного рельефа на аэрационный режим нарушенных и прилегающих к ним территорий

3.3. Теоретическое решение задачи обтекания воздушным потоком профиля техногенного рельефа

3.4. Экспериментальные исследования влияния техногенного рельефа на аэрационный режим

3.4.1. Теоретические предпосылки исследований методом физического

моделирования

3.4.2. Методика проведения экспериментов

3.4.3. Трансформация воздушного потока, обтекающего техногенные формы рельефа в сечении

3.4.4. Трансформация воздушного потока, обтекающего техногенные формы рельефа в плане

3.4.5. Трансформация воздушного потока, обтекающего террасную застройку на частично спланированном терриконике

Глава 4. Научно-методические положения системы восстановления и использования нарушенных территорий с учетом аэрационного режима

4.1. Методика выбора направлений использования нарушенных территорий

4.2. Методика составления карты аэрационного режима

нарушенной территории

4.3. Учет аэрационного режима при разработке градостроительной документации

4.4. Оценка аэрационного режима города при решении проблем градостроительной безопасности

Глава 5. Рекомендации по проектированию на восстанавливаемых нарушенных территориях объектов градостроительства

5.1. Формирование техногенного рельефа с заранее заданными геометрическими параметрами

5.2. Использование техногенного рельефа в градостроительных целях

5.3. Использование нарушенных территорий Копейского природно-территориального комплекса

5.4. Террасная застройка на сложном рельефе нарушенных территорий

5.5. Использование нарушенных территорий Коркинского природно-территориального комплекса

Заключение

Словарь терминов

Список литературы

Приложения

Приложение А Табличные аналоги

Приложение Б Анализ геометрических параметров каменных карьеров

Приложение В Указатель возможных видов использования каменных карьеров

Приложение Г Акты о внедрении и справки о практическом использовании результатов диссертационной работы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методологические основы восстановления нарушенных территорий для градостроительства»

Введение

Актуальность темы исследования. Диссертация посвящена актуальной градостроительной проблеме восстановления и использования нарушенных территорий. Территория — одно из главных богатств любого народа. Ее ценность возрастает все более, поскольку она невоссоздаваема, а рост производительных сил, населения, строительство городов во всем мире продолжает идти высокими темпами.

Современный высокий уровень научно-технического прогресса, жилищно-гражданского строительства, добычи полезных ископаемых и сокращение в связи с этим баланса земельных угодий и рекреационных ресурсов при неуклонном подъеме спроса на загородный отдых населения больших городов и необходимости решения природоохранных задач делают все более актуальным вопросы рационального преобразования и использования нарушенных территорий. В условиях советского развития в 1961-1970 гг. застроенная территория городов увеличилась почти на 30 % главным образом за счет отчуждения сельскохозяйственных земель. В современных условиях расширение городской территории только за счет сельскохозяйственных земель становится невозможным.

Поэтому одним из основных путей сокращения территорий, отчуждаемых под застройку является их рациональное использование. В результате градостроительной политики в советский период удельный вес территорий, не используемых для городских целей, в современных границах городских поселений составлял около 50 %. В разряд неудобных входят и нарушенные территории, не только не пригодные для хозяйственной деятельности человека (в том виде, в котором они существуют), но и оказывающие отрицательное воздействие на его жизнедеятельность.

Массированные нарушения территорий происходят в результате открытой добычи полезных ископаемых, сопровождающейся устройством различного рода карьерных выемок, насыпей, отсыпкой отвалов. Открытая разработка в начале

1970-х гг. обеспечивала добычу 70 % руд, 30 % угля, 60 % химического сырья, 100 % природных строительных материалов.

Большие территории занимают отходы энергетических, горнорудных, химических, металлургических предприятий. Свалки, полигоны, хвостохранилища могут занимать значительные территории и содержать до нескольких млрд. м3 отходов. Современная ТЭЦ, например, требует под золоотвалы 1000-1200 га; шлаковые отвалы на металлургических заводах проектируются из расчета 10 т на 1 м2 и могут занимать также больше тысячи гектаров.

Актуальность проблемы, народнохозяйственная и природоохранная значимость восстановления нарушенных территорий, обусловленная как величиной суммарной площади, так и концентрацией их в густонаселенных и благоприятных для земледелия районах страны, вытекает из градостроительных требований.

До недавнего времени проблемой рекультивации земель занималось значительное количество научно-исследовательских организаций различных министерств и ведомств. Подавляющее число научных исследований было связано с сельскохозяйственным и лесохозяйственным направлением рекультивации земель. Несколько меньший объем занимали исследования, посвященные водохозяйственному, рыбохозяйственному направлениям. Лишь относительно небольшое число работ было посвящено направлениям, связанным с вопросами градостроительства - строительному, рекреационному, санитарно-гигиеническому. Нормативная и специальная литература по восстановлению нарушенных территорий не в полной мере раскрывает возможности поливариантного использования таких территорий, не решает вопрос выбора использования нарушенных территорий.

Степень разработанности темы исследования. Проблема восстановления и использования нарушенных территорий как часть общей проблемы природообусловленного развития территорий изучена в нашей стране недостаточно. Большое количество публикаций и исследований посвящено

общим вопросам развития городов, решению задач экологии. Существенный вклад в решение обозначенной выше проблемы внесли такие ученые как Э.Геккель, В.И.Вернадский, В.И.Данилов-Данильян, Б.Коммонер, Н.Н.Моисеев, Ю.Одум, Н.Ф.Реймерс, А.Н.Тетиор, К.Уоллворк, А.В.Яблоков и др.

Эколого-градостроительные аспекты представлены в трудах таких ученых как Ю.В.Алексеев, Е.А.Ахмедова, В.Р.Битюкова, А.Г.Большаков, Ю.П.Бочаров, В.В.Владимиров, А.Гиясов, А.Ю.Даванков, Ю.В.Игнатьев, В.Ф.Касьянов, В.А.Колясников, И.В.Лазарева, И.Г.Лежава, Г.А.Малоян, Е.Н.Перцик,

B.М.Пивкин, Б.М.Полуй, Б.Б.Прохоров, В.Ф.Сидоренко, И.М.Смоляр,

C.Б.Чистякова, С.Г.Шеина, И.С.Шукуров, Е.В.Щербина, И.Н.Яковлев, З.Н.Яргина и др.

Архитектурно-планировочные аспекты в своих работах решали: Н.П.Абесинова, В.В.Баулина, Ю.А.Бондарь, А.П.Вергунов, Г.М.Гаврилов,

A.В.Горохов, И.В.Гриманова, М.Н.Дивакова, Н.П.Ждахина, А.В.Калабин, Питер Кук, К.В.Лазарев, В.Г.Маевская, В.А.Пак, Д.О.Саймондс, Питер Эйземан, и другие.

Проблемы рекультивации нарушенных земель исследовали: Ю.М.Васильков, Н.Ф.Горлов, М.П.Гришаев, Е.П.Дороненко, Л.П.Капелькина, Б.П.Колесников, А.П.Красавин, Е.Г.Линькова, Л.В.Моторина, Т.Б.Минакова, С.И.Носов, В.А.Овчинников, Г.М.Пикалова, С.С.Трофимов, Т.П.Федосеева,

B.Н.Экзарьян, и др.

Вопросы аэрации, аэродинамики и ветрового режима рассматривались в работах В.И.Беспалова, В.В.Балакина, М.Е.Берлянда, С.М.Горлина, В.А.Гутникова, В.И.Ефимова, М.В.Завариной, И.М.Зражевского, Н.М. Качурина, Л.А.Кратцера, Г.Е.Ланцберга, Х.Леттау, И.К.Лифанова, В.К.Лицкевича,

A.М.Монина, Э.И.Реттера, Е.Н. Романовой, Ф.Л.Серебровского, А.В.Сетухи, Э.Симиу, Р.Сканлана, Р.С.Скорера, А.С.Скотченко, Г.Шлихтинга, А.М.Яглома и др. Однако вопросы аэрации нарушенных территорий рассмотрены только как часть проблемы, касающейся аэрологии карьеров (Н.З.Битколов, В.А.Михайлов

B.С.Никитин, К.З.Ушаков, и др.). Анализ различных подходов к восстановлению

нарушенных территорий и оздоровлению городской среды, представленных в этих и других работах, позволил выявить ряд неблагоприятных факторов и процессов природного и техногенного характера, ранее не учитываемых в градостроительном проектировании. Проведенный анализ определил направления методологии исследования восстановления и использования нарушенных территорий.

Научная гипотеза заключается в том, что эффективное восстановление и использование нарушенных территорий в градостроительстве возможно только при всестороннем учете аэрационного режима.

Объект исследования - нарушенные территории городов как совокупность карьерно-отвальных комплексов горнодобывающей и горно-перерабатывающей промышленности и предприятий энергетики.

Предметом исследования являются закономерности, позволяющие разработать основы восстановления и использования нарушенных территорий, а также закономерности обтекания воздушным потоком техногенных форм рельефа нарушенных территорий, позволяющие сформулировать основы градостроительного использования нарушенных территорий с учетом аэрационного режима.

Цель исследования. Разработка методологических основ восстановления и использования нарушенных территорий для градостроительства с учетом аэрационного режима (на примере Челябинской агломерации). Задачи исследования:

- обобщить и систематизировать состояние проблемы градостроительного пользования нарушенных территорий на основе отечественного и зарубежного опыта. Обосновать научную новизну исследования, выполнить постановку задач и определить методы исследования;

- разработать типологию нарушенных территорий, определяющую выбор направлений дальнейшего их использования после восстановления;

- выявить влияние техногенного рельефа на аэрационный режим нарушенных и прилегающих территорий, изучить закономерности

процесса обтекания воздушным потоком техногенных форм рельефа нарушенных территорий;

- разработать принципы восстановления и использования нарушенных территорий с учетом аэрационного режима;

- разработать методологию градостроительного анализа нарушенных территорий с определением главных направлений их использования;

- разработать основные положения восстановления нарушенных территорий с учетом аэрационного режима;

- апробировать теоретические разработки на примере нарушенных территорий Челябинской агломерации;

- разработать рекомендации по градостроительному использованию нарушенных территорий.

Методология и методы исследования:

- анализ и обобщение литературных источников, научных публикаций, интернет-ресурсов, нормативных документов и стандартов, результатов научно-исследовательских работ, опубликованных в открытой печати, по теме диссертации;

- методология районной планировки и градостроительства;

- системный анализ, комплексный подход к решению научно-методологических, теоретических и экспериментальных задач, методы математической статистики;

- экспериментальные исследования процесса обтекания воздушным потоком техногенных форм рельефа в аэродинамической трубе методом моделирования на основе теории подобия.

Научная новизна исследований:

- Впервые научно обоснованы, разработаны и апробированы характерные параметры нарушенных территорий, влияющие на выбор направления градостроительного их освоения и обеспечивающие необходимые и достаточные условия для такого выбора.

- Впервые теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены обобщенные зависимости для расчета трансформации воздушного потока, обтекающего техногенные формы рельефа, что позволило сформировать табличные аналоги, ставшие основой для разработки методики составления карт аэрационного режима нарушенных территорий.

- Разработана методология расчета аэрационного режима нарушенных территорий, основанная на проведенных экспериментальных исследованиях методом физического моделирования в аэродинамической трубе и полученных закономерностях обтекания воздушным потоком техногенного рельефа.

- Обоснованы главные направления градостроительного восстановления и использования нарушенных территорий и прорывные прогрессивные технологии формирования техногенного рельефа с заранее заданными геометрическими параметрами, реализация которых в горнодобывающей и перерабатывающей промышленности обеспечит значительное снижение затрат на горнотехнический этап рекультивации нарушенных земель.

- Разработана методика выбора направлений восстановления и использования нарушенных территорий в градостроительных целях, отличающаяся комплексным подходом к выбору определяющих параметров этих территорий и позволяющая выполнять экспресс-анализ возможных вариантов градостроительного освоения нарушенных территорий на предпроектной стадии территориального планирования и градостроительного проектирования, что значительно сокращает время на выбор вариантов их освоения в условиях агломерации.

- Предложенные рекомендации направлены на снижение уровня техногенной нагрузки на окружающую среду, восполнение дефицита территорий для рекреации, снижение затрат на транспорт и инженерные коммуникации за счет освоения неиспользованных ранее нарушенных территорий, что позволит снизить уровень социальной напряженности в горно-промышленных районах агломераций.

Теоретическая значимость работы состоит:

- в научно-обоснованных предложениях восстановления и использования нарушенных территорий в градостроительстве;

- в систематизации и классификации направлений использования нарушенных территорий;

- в установлении закономерностей обтекания воздушным потоком техногенных форм рельефа;

- в разработке методов и алгоритмов восстановления и использования нарушенных территорий с учетом аэрационного режима. Практическая ценность работы заключается в разработке инженерно -

градостроительных основ проектирования и использования нарушенных территорий, позволяющих оптимизировать техногенный рельеф на предпроектной стадии за счет формирования техногенного рельефа с заранее заданными геометрическими параметрами с учётом аэрационного режима.

Практическая реализация разработанных в диссертационной работе положений и принципов позволяет:

- управлять проектированием градостроительных объектов на ранних стадиях разработки полезного ископаемого (до разработки технологических схем) с целью решения градостроительных и экологических задач;

- обеспечивать качественные экологические показатели восстанавливаемых нарушенных территорий;

- обосновывать геометрические и другие параметры техногенного рельефа с целью минимизации затрат на восстановление нарушенных территорий;

- моделировать и прогнозировать изменение экологических характеристик восстанавливаемых нарушенных территорий с учетом аэрационного режима.

Личный вклад соискателя состоит:

- в разработке теоретических положений, изложенных в диссертации;

- в разработке и внедрении методологии выбора направлений использования нарушенных территорий в градостроительных целях;

- в разработке теоретической модели трансформации воздушного потока, обтекающего техногенные формы рельефа, и изучении закономерностей процесса обтекания на основе физических экспериментов в аэродинамической трубе, что позволило разработать табличные аналоги, используемые

для составления карт аэрационного режима нарушенных территорий;

- в разработке рекомендаций по выбору направлений использования нарушенных территорий в градостроительных целях с учетом аэрационного режима.

Положения, выносимые на защиту:

- системные принципы градостроительного восстановления и использования нарушенных территорий;

- теоретическая модель трансформации воздушного потока, обтекающего техногенные формы рельефа;

- обобщенные зависимости для расчета трансформации воздушного потока, обтекающего техногенные формы рельефа;

- классификация направлений и видов использования нарушенных территорий;

- методика составления карты аэрационного режима нарушенных территорий;

- методология выбора направлений использования нарушенных территорий в градостроительных целях;

- рекомендации по выбору направлений использования нарушенных территорий в градостроительных целях с учетом аэрационного режима.

Степень достоверности результатов работы подтверждается

использованием современных методов системного анализа, строгостью применяемых методов моделирования и математической статистики,

статистическим контролем сходимости результатов экспериментальных исследований с данными натурных исследований аэрационного режима.

Реализация результатов исследования. Результаты, полученные в рамках настоящей диссертационной работы, были использованы:

- институтом УралНИИПроект РААСН при выполнении научных исследований и разработок в области естественных и технических наук в сфере градостроительства, в частности, в НИР 2.1.8. «Теоретические основы градостроительной безопасности в условиях природных и техногенных риск-ситуаций», выполненной по Плану фундаментальных научных исследований РААСН в рамках направлений и разделов Программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук на период 2008-2012гг.;

- в научно-исследовательских и проектных работах институтов ЦНИИП Минстроя России (бывш. ЦНИИПградостроительства РААСН), в работах Уральского регионального информационно-аналитического центра «Уралгеоинформ»;

- в научно-исследовательской работе «Аналитический обзор и разработка нормативной базы градостроительного развития Уральского федерального округа с точки зрения обеспечения безопасности». Тема ДЗ-06/9 по заданию УралНИИПроект РААСН, 2006;

- Центром научно-технической информации «Прогресс» (ЦНТИ «Прогресс», г. Санкт-Петербург) при чтении лекций на курсах повышения квалификации представителей проектных, научно-исследовательских организаций и вузов по рекреационному и строительному направлениям рекультивации нарушенных территорий;

- при организации учебного процесса на архитектурно-строительном факультете Южно-Уральского государственного университета (ЮУрГУ) по специальному курсу «Безопасность застраиваемых территорий» для бакалавриата и магистратуры по направлению «Строительство»;

- при организации учебного процесса в Российском государственном геологоразведочном университете (МГРИ-РГГРУ) (г. Москва) и Минерально-геологическом университете «Св. Иван Рилски» г. София (Болгария) при изучении студентами дисциплин экологического и градостроительного профиля.

Апробация результатов исследования. Основные положения и материалы диссертационной работы докладывались автором и обсуждались на многочисленных научно-практических конференциях регионального, всероссийского и международного уровней в период с 1982 по 2017 годы:

- на научно-технических конференциях Южно-Уральского государственного университета (Челябинского политехнического института) (Челябинск, 1982 -2017 гг.); Магнитогорского горно-металлургического университета (Магнитогорск, 1983 г.); Московского государственного строительного университета (Московского инженерно-строительного института) (Москва, 1986, 2005 г.); Уральского федерального университета (Уральского политехнического института) (Свердловск - Екатеринбург, 2005 - 2008 гг.); Пермского государственного технического университета (Пермь, 2011 г.); Пензенского государственного университета архитектуры и строительства (Пенза, 2001 - 2013 гг.); Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета (Сибстрин) (Новосибирск, 2008 г.);

- на «Уральских академических чтениях» в 1999, 2003, 2006, 2007 г., (УРО РААСН, Екатеринбург);

- на Всесоюзном научно-техническом совещании «Малоотходные и безотходные технологии - главный фактор охраны окружающей среды» (АН ССР, Москва, 1983 г.);

- на Международном совещании «Экология урбанизированной среды: проблемы, изучение и оптимизация» (ИЭВБ АН СССР, Тольятти, 1991 г.);

- на Всесоюзном научно-техническом совещании «Улучшение акустической среды города: архитектурно-планировочные и строительно-технические методы» (ЦНИИПград, М. Симферополь,1991 г.);

- на Всесоюзной научно-практической конференции «Промышленная Экология - 97» (СПБГТУ, Санкт-Петербург, 1997 г.);

- на региональной научно-практической конференции «Состояние и развитие сырьевой базы стройиндустрии Челябинской обасти» (ЧДУ, Челябинск, 2001 г.);

- на региональной научно-практической конференции «Стратегия развития миллионного города» (администрация г. Челябинска, Челябинск,2000 г.);

- на межрегиональной городской конференции «Современные проблемы информационного пространства Уральского региона» (Уралгеоинформ, Екатеринбург, 2002 г.);

- на 2-й общероссийской конференции изыскательских организаций «Перспектива развития инженерных изысканий в строительстве в Российской Федерации» (ОАО «ПНИИС», Москва,21-22 декабря 2006 г.);

- на Международной научно-практической конференции «Проблемы и направления развития градостроительства» (ФГБУ ЦНИИП градостроительства РААСН, 3-4 октября 2013 г.);

- на Х Международной научно-практической конференции «Актуальные научные достижения - 2014» Часть 15. Строительство и архитектура (Прага, Чехия, 2014 г.);

-на I Международной научно-практической конференции «Строительство и экология: теория, практика, инновации» (ПИРС, Челябинск, 9 марта 2015 г.);

- на Международной научно-технической конференции "Пром-Инжиниринг" " (1С1Е 2017, Челябинск, 16-19 мая 2017 г.)

- на Международной научно-технической конференции "Строительство, архитектура и техносферная безопасность" (ICCATS 2017, Челябинск, 21-22 сентября 2017 г.)

Публикации. По теме диссертационного исследования опубликовано 92 печатных работы, в том числе: 13 в изданиях из перечня рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты

диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук, 4 статьи, опубликованные в журналах, индексируемых в международной реферативной базе Scopus, и три монографии.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, словаря терминов, списка литературы из 320 наименований и 4 приложений, общий объем диссертации 265 страниц машинописного текста, из них основного текста - 208 страниц, 42 таблицы, 84 рисунка.

Глава 1. Нарушенные территории агломераций и современные тенденции их использования в градостроительстве

1.1. Состояние проблемы освоения нарушенных территорий

Челябинская область — одна из наиболее развитых областей Уральского экономического района. На территории, равной немногим более 4 % площади Урала (88,5 тыс. кв. км), проживает 20% всего населения района (3,67 млн. чел.) [88]. Челябинская область лежит на стыке лесостепной и степной зон с горнолесными районами. Последние занимают около 1/4 всей площади области. Остальная территория поровну распределяется между степью и лесостепью.

Рубежное положение области на стыке нескольких природных зон определило большое разнообразие природных ресурсов и специализацию ее хозяйства. В пределах Челябинской области имеются руды черных и цветных металлов, уголь, химическое сырье, разнообразные строительные материалы (рисунки 1.1, 1.4). Многие месторождения характеризуются удобством залегания, комплексностью руд, их высоким качеством. Благодаря значительным запасам полезных ископаемых, их хорошей разведанности, Челябинская область имеет развитую горнодобывающую и металлургическую промышленности, промышленность строительных материалов.

Несмотря на то, что объемы производства некоторых видов промышленной продукции в настоящее время сократилась в 2-5 раз, они по своим показателям продолжают оставаться высокими и имеют возможность роста при необходимых инвестициях. Величина запасов полезных ископаемых и обеспеченность области энергетическими ресурсами позволили строить перерабатывающие заводы в непосредственной близости к месторождениям. Строительство промышленных предприятий сопровождалось ростом городов, чему способствует и длительность периода эксплуатации угольных и рудных месторождений (Период эксплуатации разработок каменного угля и железной руды — 100 лет и более, торфоразработок — 50-80 лет; нефтяных месторождений — 15-40 лет; газовых — до 20 лет [20]). Поэтому, размещение городов по территории Челябинской области повторяет

схему расположения месторождений полезных ископаемых: в наиболее богатой горно-лесной зоне — 15 городов, в лесостепной — 8, в степной — 4.

Рисунок 1.1 - Рудные полезные ископаемые Челябинской области [88]

Добыча и переработка полезных ископаемых сопровождается ростом нарушенных территорий, то есть территорий, настолько поврежденных в

процессе производственной деятельности, что они не могут использоваться в дальнейшем без проведения специальных мероприятий [107].

Рост городов и расширение зоны разработок приводит к тому, что нарушенные территории вплотную приближаются к застройке. Это значительно ухудшает условия проживания в городах, создает проблему поиска свободных территорий для дальнейшего развития города.

По масштабу разработки полезных ископаемых Челябинская область относится к числу областей с очень высоким уровнем нарушенности территорий.

Наиболее богата полезными ископаемыми горно-лесная природно-климатическая зона Челябинской области. Бакальский железно-рудный район более 200 лет обеспечивает металлургию Урала. Общие запасы руды в районе Бакала - 520 млн. тонн. Разработки ведутся преимущественно открытым способом, но имеются и подземные, что связано с освоением запасов на глубоких горизонтах (рисунок 1.2).

На бакальских рудах работают Ашинский и Саткинский металлургические заводы. В Сатке ведется добыча магнезита. Месторождение было открыто еще в 1896 году. Запасы его огромны, пласты магнезита мощностью до 50 м простирается на 7,5 км длиной. Добыча ведется открытым способом. В окрестностях Аши находится единственное в нашей области месторождение фосфоритов. Их запасы — 4,2 млн. тонн. Залегают фосфориты почти на поверхности, мощность пласта фосфоритосодержащей массы темно-бурого цвета колеблется от 0,5 до 77 метров. Разработки ведутся с 1960 года открытым способом. В районе г. Миасса расположено месторождение магнезитовых железных руд (до 100 млн. тонн). В районе Кыштыма расположено крупнейшее месторождение графита, ведется добыча каолина. Месторождения никеля и кобальта сосредоточены на севере области, в районе Верхнего Уфалея, где построен никелевый комбинат, работающий с 1932 года [88].

Рисунок 1.2 - Новобакальский рудник, Бакальское рудное поле в Челябинской области

Размещение городов вблизи месторождений полезных ископаемых привело в тому, что площадь нарушенных территорий в городах уже сейчас значительны. Например, площадь нарушенных территорий в Сатке и прилегающих к ней районах составляет 16,22% общей площади нарушенных территорий

Челябинской области, а в Верхнем Уфалее площадь отвалов составляет 4060 га и занимает 23% общей площади города.

В лесостепной зоне расположены основные угольные месторождения Челябинской области. Челябинский буроугольный бассейн неширокой полосой простирается с севера на юг на 170 км при максимальной ширине 14 км (рисунок 1.3 ). Бассейн условно разделен на 7 угленосных районов: Сугоякский, Козыревкий, Копейский, Камышинский, Коркинский, Еманжелинский и Кичигинский. В бассейне выявлено до 30 угленосных пластов. Мощность их колеблется от 0,75 до 13 м. В Копейске разработка велась, в основном, подземным способом. На территории города преобладают терриконики, но есть и карьер, который буквально вклинивается в центральную часть города. Почти половину добычи угля в Челябинской области давал Коркинский разрез. Почти весь уголь здесь добывался открытым способом. Разрез в Коркино вплотную подходит к жилой застройке (рисунок 1.4). Открытым способом добывался уголь и в Еманжелинске, где карьеры приближались к городу на 600 м.

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Оленьков Валентин Данилович, 2019 год

использование;

-озеленение, парки;

-водоемы;

-промышленное

строительство;

-полигоны твердых отходов

1

3

Таблица 2.10 - К. Природно-климатическая зона (на примере Челябинской области)

Индекс Природно-климатическая зона Характеристика природно-климатических условий Возможное использование нарушенных территорий

1 2 3 4

К-1 Горно-лесная Умеренно-континентальный влажный климат. Средние температуры: январь —16°С, июль + 16°С. Преобладают ветры западного направления. Скорость ветра 3-5 м/с в течение года (комфортная скорость 0,5-3,5 м/с). Осадки 500-800 мм/год. Зона избыточного увлажнения [109]. -строительство зданий и сооружений; -устройство рекреационных зон и участков; -улучшение микроклимата благодаря ветрозащите; -улучшение инсоляции путем размещения объектов на южных склонах; -озеленение нарушенных территорий для предотвращения водной эрозии; -сельско-хозяйственное использование

К-2 Лесостепная Умеренно-континентальный климат. Средние температуры: январь -16°С, июль +18°С. Преобладают ветры зимой юго-западного, западного, летом северо-западного направлений. Скорость ветра 5-7 м/с. Осадки 350-500 мм/год. Зона умеренного увлажнения -максимальное озеленение; -устройство водоемов различного назначения; -размещение промышленных зон и полигонов для складирования отходов; -ветрозащита

К-3 Степная Сухой континентальный климат. Средние температуры: январь —17°С, июль +19°С. Скорость ветра 5-7 м/с, 300320 дней в году ветры со скоростью более 3 м/с. Дискомфорт в зимний и весенний периоды. Пыльные бури, суховеи (10-20 дней в году). Осадки 350 мм/год. Зона недостаточного увлажнения -размещение промышленных зданий и полигонов для складирования отходов; -ветрозащита; -озеленение; -водоемы различного назначения; -максимальное сокращение незастроенных территорий, рассматриваемых как источник местного пыления

Таким образом, с помощью предложенного морфологического ящика

можно описать 1478400 групп территорий, нарушенных при открытой разработке полезных ископаемых и отвалов шлака и золы. Емкость морфоящика можно значительно увеличить, если продолжить перечисление возможных вариантов форм рельефа "Б". Этот подход позволяет без нарушения системы расширить группу характерных параметров.

2.3. Аэрация как ведущий фактор освоения карьерных выемок

Возможность строительства в карьере определяется, прежде всего, схемой проветривания карьера, то есть процессом движения воздуха и выноса вредностей из карьера воздушными потоками.

Основным естественным фактором, обеспечивающим проветривание карьера, является энергия ветра. При достаточно большой скорости ветра, господствующего на поверхности, возможны две схемы проветривания: прямоточная и рециркуляционная [229, 247]. При постоянном ветре возникновение той или иной схемы зависит от геометрии карьера.

Прямоточная система проветривания возникает при скорости ветра на поверхности более 0,8-1 м/с и угле откоса подветренного борта карьера не более 15° (рисунок 2.2). При такой схеме проветривания в карьере не образуется зоны сколько-нибудь значительных размеров, где могли бы накапливаться вредности. С точки зрения выноса вредностей прямоточная схема проветривания карьеров является наиболее эффективной [247].

Рециркуляционная схема проветривания возникает при скорости ветра на поверхности более 0,8-1 м/с и углах откоса подветренного борта карьера более 15° [247] (рисунок 2.3). При рециркуляционной схеме проветривания в карьере имеются две зоны с различным характером движения в них: активная зона, направление движения в которой совпадает с направлением движения ветра, и вихревая зона с противоположным движением воздуха. Вынос вредностей из карьера осуществляется воздушными массами активной зоны. Ниже ее поступившие в воздух примеси находятся в циркуляционном движении и могут накапливаться в этой зоне.

Реальная геометрия карьеров такова, что часто одна часть карьера проветривается по прямоточной схеме, другая - по рециркуляционной (рисунок 2.4).

Соотношение зон прямоточного и рециркуляционного проветривания зависит от ориентации карьера в плане, угла откоса бортов карьера, глубины карьера.

Рисунок 2.2. Прямоточная схема проветривания карьера [247]

Рисунок 2.3 - Рециркуляционная схема проветривания карьера [247]

Рисунок 2.4 - Комбинированная схема проветривания карьер [247]

Интенсивность воздухообмена в карьере зависит также от отношения ширины дна карьера В в разрезе к глубине карьера Н (рисунок 2.6). Эту величину можно назвать относительной шириной дна карьера В :

в =

в

н (2.1) где B - ширина дна карьера, м;

Н - глубина карьера, м. Зависимость относительной ширины дна карьера в от ширины дна карьера В при различных глубинах Н приведена в таблице 2.11 и на рисунке 2.5.

Таблица 2.11 - Значения относительной ширины дна карьера В, в зависимости от ширины дна В и глубины Н карьера [169]

В, м Н, м

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

100 10,0 5,0 3,3 2,5 2,0 1,7 1,4 1,3 1Д 1,0

200 20,0 10,0 6,6 5,0 4,0 3,3 2,9 2,5 2,2 2,0

300 30,0 15,0 10,0 7,5 6,0 5,0 4,3 3,8 3,3 3,0

400 40,0 20,0 13,3 10,0 8,0 6,7 5,7 5,0 4,4 4,0

500 50,0 25,0 16,6 12,5 10,0 8,3 7,1 6,3 5,6 5,0

600 60,0 30,0 20,0 15,0 12,0 10,0 8,6 7,5 6,7 6,0

700 70,0 35,0 23,3 17,5 14,0 11,7 10,0 8,8 7,8 7,0

800 80,0 40,0 26,6 20,0 16,0 13,3 11,4 10,0 8,9 8,0

900 90,0 45,0 30,0 22,5 18,0 15,0 12,9 11,3 10,0 9,0

1000 100,0 50,0 33,3 25,0 20,0 16,7 14,3 12,5 11,1 10,0

1100 110,0 55,0 36,6 27,5 22,0 18,3 15,7 13,8 12,2 11,0

1200 120,0 60,0 40,0 30,0 24,0 20,0 17,1 15,0 13,3 12,0

1300 130,0 65,0 43,3 32,5 26,0 21,7 18,6 16,3 14,4 13,0

1400 140,0 70,0 46,6 35,0 28,0 23,3 20,0 17,5 15,6 14,0

При прочих равных условиях, чем больше величина В, тем карьер будет более плоским и легче проветриваться. На рисунке 2.6 показаны карьеры с одинаковым углом откоса борта, но с различной величиной В. Чем больше В, тем большая часть карьера проветривается по прямоточной схеме.

Если на разрезе выделить зону, которая будет проветриваться по прямоточной схеме при любом направлении ветра, то можно ввести коэффициент проветривания дна Кд (рисунок 2.7):

К д = §> (2.2)

где В - ширина участка дна, проветриваемого по прямоточной схеме, м В - ширина дна карьера, м.

Рисунок 2.5 - Зависимость относительной ширины дна карьера В от глубины Н и ширины дна В

[169]

Рассмотрим карьер с отвесными стенками (рисунок 2.8а). Если обозначить ширину участка дна, проветриваемого по рециркуляционной схеме, через с, то

в = В - 2с , (2.3)

Подставляем выражение (2.3) в формулу (2.2), получим

90 _ в _ в - 2с _ ^ _ 2с

В В

в

(2.4)

где Кд - коэффициент проветривания дна карьера с отвесными стенками.

Рисунок 2.6 - Улучшение проветриваемости карьера с увеличением относительной ширины дна

[169]

Рисунок 2.7 - Схема к определению коэффициента проветривания дна Кд [169]

Так как

то

с = Н • с^15°

К9^ 2Н •

В

Учитывая выражение (3) и зная, что 2с^15° = 7,465 « 7,5

получим

К90 = 1 _ 75

д В

где в - относительная ширина карьера.

(2.5)

(2.6)

(2.7)

(2.8)

Рисунок 2.8 - Схемы к расчету коэффициента проветривания дна Кд [169]

Рассмотрим карьер, угол откоса борта которого равен а (рисунок 2.8б). В этом случае

с = Н • ^\5°_ Ь = Н • ^\5°_ Н • ^а, (2.9)

тогда

К90 = _в =В-2с =1_2с =1_2Н^£&15° + 2Н • ^а

д в в в в в ' ( . )

Учитывая выражения (2.1) и (2.7), получим

кд = к^0 - , (2.11)

где кд0 - коэффициент проветривания дна карьера с отвесными стенками (см.формулу (9));

а - угол откоса борта карьера;

В - относительная ширина дна карьера.

Зависимость Кд от относительной ширины дна карьера В и угла откоса а приведена в таблице 2.12 и показана на рисунке 2.9 [169].

С помощью коэффициента проветривания дна Кд можно выделить группу карьеров, пригодных для застройки дна. Если потребовать, чтобы использовалось не менее 50% площади дна карьера, то коэффициент Кд должен быть не менее 0,71 (из рассмотрения круглого и квадратного в плане карьеров).

Кроме того, зона, выделяемая на дне карьера по проветриванию с помощью коэффициента Кд, наиболее благоприятна для застройки и по зрительному восприятию.

Известно, что пространства, огражденные зданиями или массивами с соотношением их высоты к длине образуемой аллеи, площади, поляны 1:2 (что совпадает с верхним пределом нашего нормального зрительного луча — 30°) способствуют появлению чувства замкнутости пространства; при соотношении 1:3 (18°) преобладание объемов зданий, массивов над открытым пространством продолжает ощущаться; при соотношении 1:4 (14°) и более чувство замкнутости пространства утрачивается [7].

Рисунок 2.9 - Зависимость коэффициента проветривания дна от относительной ширины дна

Е1 и угла откоса борта карьера с [169]

Таблица 2.12 - Значения коэффициента проветривания дна Кд в зависимости от угла откоса борта а и относительной ширины дна карьера В [ 169]

с = 30° с = 45° с = 60° с = 75° с = 90°

в кдо = 1 - 4 д в кдо = 1 - 4 д в к30 = 1 - 4 д в кдо = 1 - 4 д в кдо = 1 - 4 д в

1 2 3 4 5

4,0 0,0

5,5 0,0

6,3 0,0

6,9 0,0

7,5 0,0

10,0 0,60 0,45 0,37 0,31 0,25

20,0 0,80 0,72 0,68 0,65 0,63

30,0 0,87 0,82 0,70 0,77 0,75

40,0 0,90 0,86 0,84 0,83 0,81

50,0 0,92 0,89 0,87 0,86 0,85

60,0 0,93 0,91 0,90 0,89 0,88

70,0 0,94 0,92 0,91 0,90 0,89

80,0 0,95 0,93 0,92 0,91 0,90

90,0 0,96 0,94 0,93 0,92 0,92

100,0 0,96 0.95 0,94 0,93 0,93

150,0 0,97 0.96 0,96 0,95 0,95

200,0 0,98 0,97 0,97 0,97 0,96

Таким образом, выделяемая зона по проветриванию несколько больше зоны, благоприятной по зрительному восприятию. Поэтому в дальнейшем для

оценки возможности строительства на дне карьера коэффициент проветривания дна Кд принят равным 0,75, несколько больше рассчитанного (0,71).

Кроме учета аэрации, дополнительно введены требования к площади и глубине карьера.

2.4. Геометрические параметры карьерных выемок

Изучение нормативной и технической литературы позволяет считать допустимым для строительства промышленных и коммунально-складских зданий с использованием всего объема карьера, карьеры площадью до 10 га (таблица 2.13). В этом случае глубина карьера может быть ограничена до 100 м (примерно 30 этажей). Для строительства на дне и борту карьера допустимым считать карьер площадью более 10 га и глубиной не более 30 м (из условия возможности устройства транспортных коммуникаций).

Для гражданского строительства с использованием всего объема карьера глубину ограничить до 30 м (примерно 10 этажей), а площадь — до 10 га. Глубину террасированных карьеров для строительства на дне и бортах принять не более 30 м (также из условия удобства организации транспортных связей), а для котловинообразных карьеров — не более 15м. Площадь карьера при этом должна быть не менее 10 га.

На основании вышеизложенного составлены требования к каменным карьерам в зависимости от вида их последующего использования (таблица 2.14). Направления и виды использования каменных карьеров представлены в таблице 2.15

Таблица 2.13 - Минимальные значения площади градостроительных объектов [169]

Вид использования территории Минимальная Источник

площадь, га информации

1 2 3

Общегородские парки 15 п. 7.3 [237]

Парки планировочных районов 10 -II-

Сады жилых районов 3 -II-

Многоэтажные гаражи для легковых таксомоторов:

на 100 штук 1,0 таблица 55 [237]

на 1000 штук 2,3 -II-

Гаражи грузовых автомобилей:

на 100 штук 3 -II-

на 500 штук 6 -II-

Автобусные парки (гаражи):

на 100 штук 2,3 -II-

на 500 штук 6,5 -II-

Станции технического обслуживания (при условии

- 1 пост на 200 автомобилей): п. 11.4,

на 10 постов 1,0 таблица 58 [237]

на 40 постов 3,5 -II-

Очистные сооружения канализации производи-

тельностью:

до 0,7 тыс. м3/сут. 1 таблица 59 [237]

от 400 до 500 тыс. м3/сут. 70 -II-

в т. ч. иловые площадки при

производительности до 0,7 тыс. м3/сут. 2 -II-

от 400 до 500 тыс. м3/сут. 70 -II-

Промышленные комплексы:

машиностроение (численность трудящихся

10-20 тыс. чел., Ш-1У класс вредности) 100-300 таблица 4 [21]

пищевая промышленность (1-2 тыс. чел., 1У-Укласс

вредности) до 50 -II-

промышленность строительных

материалов (3-4 тыс. чел., Ш-ГУ класс вредности)

до 60 -II-

Потребность в территориях для всех видов город-

ского строительства в пределах основного массива

городской застройки (в расчете на 1000 жителей)

в т. ч. под селитебную зону 15-20 стр. 57 [21]

10-12 -II-

Нарушенные территории, используемые под: стр. 86-87

поля севооборотов

залужение, лесопосадки 25-50 [209]

пахотные угодья со специальным 5-10 -II-

севооборотом

10-25 -II-

Таблица 2.14 - Требования к каменным карьерам в зависимости от вида их использования [169]

Фактор Характеристика Вид использования

оценки территории 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Грунты Грунты с нормативным

сопротивлением не менее • • • • • • - - • - - -

0,15 МПа

Грунты с нормативным

сопротивлением от 0,15 МПа мощностью менее □ □ □ □ □ □ - - □ - - -

2м; просадочные I типа

Грунты с нормативным

сопротивлением менее

0,05 МПа мощностью о о о о о о - - о - - -

более 2м; просадочные II

типа

Оползни Оползни отсутствуют -

Мелкие поверхностные

оползни типа оплывин, □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □

требующие несложных

инженерных мероприятии

Крупные глубокие оползни, требующие сложных инженерных о о о о о о о о о о о -

мероприятии

Заболо- Заболоченность и

ченность бессточные котловины отсутствуют, осушение возможно простейшими способами - - •

Незначительная

заболоченность □ □ □ □ □ □ □ □ □ - - □

атмосферного питания

Заболоченность грунтового питания о о о о о о о о о - - о

Почвы Пригодность почв для озеленения без замены плодородной почвой:

черноземы, красноземы; - • • - • • • • • - - -

по механическому составу

- легкие и средние

суглинки, супеси

Пригодность почв для

озеленения с заменой до

50% плодородной почвой: слабозасоленные почвы, выщелоченные, кислые; - □ □ - □ □ □ □ □ - - -

по механическому составу

- пески, глины, средние и

тяжелые суглинки

Продолжение таблицы 2.14

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Пригодность почв для

озеленения от 50% до

100% плодородной

почвой:солонцы,

солончаки. Почвенный

слой отсутствует; по - о о - о о о о о - - -

механическому составу -

скальные породы; почвы

зараженные

радиоактивными

веществами

Коэффициент

Аэрация проветривания дна Кд не менее 0,75 - • - - • - - • • - - -

Коэффициент

проветривания дна Кд - о - - о - - □ □ - - -

менее 0,75

Площадь терри- Площадь территории менее 10 га • о о • о о • о • • □ -

тории Площадь территории о

от 10 до 50 га

Площадь территории о

от 50 до 100 га

Глубина Глубина не более 100м • о о о о о • о о -

Глубина не более 30м • □ □ • □ □ • • • • о -

Глубина не более 15м • • • • • • • • • • • -

Водо- Периодический обмен

обмен воды в водоеме (естественным или искусственным способом) • • -

Невозможность

сообщения с грунтовыми •

водами

Условные обозначения:

• - Территория благоприятна для данного вида использования □ - Территория ограниченно-благоприятна для данного вида использования о - Территория неблагоприятна для данного вида использования - - Указанный фактор не учитывается

Таблица 2.15 - Виды использования каменных карьеров [169]

Направление использования Вид использования Индекс вида использования Примечания

1 2 3 4

Строительство зданий и сооружений Строительство промышленных и коммунально-складских зданий с использованием всего объема карьера 1 Подземные гаражи, склады, холодильники производства с герметичным режимом; подземная часть промышленных предприятий

Строительство промышленных и коммунально-складских зданий на дне карьера 2 Предполагает озеленение свободных участков, возможна застройка бортов и устройство водоемов различного назначения

Строительство промышленных и коммунально-складских зданий на борту карьера 3 "аражи, склады и др. Предполагает озеленение свободных участков и возможность устр-ва водоема

Строительство жилых и общественных зданий с использованием всего объема карьера 4 Театры и кинотеатры (открытые или закрытые), тир, спортивные комплексы (бассейны) и др.

Строительство жилых и общественных зданий на дне карьера 5 Предполагает озеленение свободных участков и возможность устройства водоемов для купания и занятий спортом

Строительство жилых и общественных зданий на бортах карьеров 6 Предполагает озеленение свободных участков и возможность устройства водоема

Полигоны твердых бытовых отходов 12 Складирование твердых отходов промышленности, вскрышных пород, твердых бытовых отходов

Зеленое строительство Озеленение территории в противоэрозионных целях 7 Лесопосадки, травосеяние и др.

Сельскохозяйственные посадки 8 Пригородное подсобное хозяйство, теплицы, сады, ягодники и др. Предполагает возможность устройства водоема

Создание парков и лесопарков 9 Предполагает возможность устройства водоемов

Устройство водоемов Устройство водоемов для технических нужд 10 Предполагает возможность неполной заливки карьера с озеленением верхней части бортов

Устройство водоемов для купания и занятий спортом 11 Предполагают возможность обмена воды

2.5. Методика выбора направлений использования каменных карьеров

Выбор возможного вида использования каменных карьеров весьма сложен, так как разнообразие свойств каменных карьеров (только при изменении шести параметров в морфологическом ящике заложено 1800 групп карьеров) предполагает и разнообразие видов использования. Для каменного карьера возможно несколько видов использования, выбрать оптимальный из которых достаточно сложно, но необходимо, так как это определяет объем затрат на восстановление.

Описание карьеров с точки зрения инженерно-геологической характеристики и градостроительной ценности, позволяет разбить процесс выбора направлений использования карьеров на два основных этапа.

На первом этапе на основании сформулированных требований к каменным карьерам определяются возможные виды использования по инженерно-геологической характеристике. Требования к карьерам дифференцируют территории по степени благоприятности для рассматриваемого вида использования. Поэтому для каждого карьера (или группы карьеров с общими свойствами) можно выбрать вид использования, который является преимущественным или допустимым.

На втором этапе из видов использования, допустимых по инженерно-геологической характеристике, выбираются возможные по градостроительным требованиям. Первоначальный выбор вида использования на основании только инженерно-геологической характеристики несколько проще, так как вместо 1800 возможных групп каменных карьеров достаточно рассмотреть 150. По форме рельефа и размерам территории возможно 15 сочетаний. Для каждой группы карьеров определен коэффициент проветривания дна кдо (таблица 2.16). При этом сначала определялась относительная ширина дна в из предположения, что карьер круглый в плане, а затем по графику на рисунке 14 определены значения кдо при вычисленном значении в.

Действительно, каменные карьеры чаще всего имеют неправильную форму, близкую к кругу или прямоугольнику с соотношением сторон 1:2.

Определение возможной ширины для карьера как диаметра круга той же площади несколько завышает возможную минимальную ширину дна, но это компенсируется за счет уменьшения значений Кд, так как угол откоса бортов чаще 45°-50°, а Кд определяется как для карьера с отвесными стенками (схемы, поясняющие определение интервалов значений В, см. прил.1.

Таблица 2.16 - Определение коэффициента проветривания дна Кд [169]

Индекс Площадь Ширина дна, Глубина Относительная Коэффициент

территории Б, м карьера Н, ширина проветривания

га В = ^ V п м ^ в дна к"0

Б В дна В = —, Н

1 2 3 4 5 6 7

1 1 до 10 менее 357 более 100 менее 357/100=3,57 0,00

1 2 от 10 до 50 от 357 до 798 более 100 не более 798/100=7,98 от 0,00 до 0,02

1 3 от 50 до 100 от 798 до 1128 более 100 не более 1128/100=11,28 от 0,00 до 0,25

2 1 до 10 не более 357 от 30 до 100 не более 357/30=11,9 от 0,00 до 0,34

2 2 от 10 до 50 от 357 до 798 от 30 до 100 от 357/ 100=3,57 до 798/30=26,6 от 0,00 до 0,71

2 3 от 50 до 100 от 798 до 1128 от 30 до 100 от 798/100=7,98 до 1128/30=37,6 от 0,02 до 0,79

3 1 до 10 не более 357 от 15 до 30 не более 357/15=23,9 от 0,00 до 0,67

3 2 от 10 до 50 от 357 до 798 от 15 до 30 от 357/30=11,9 до 798/ 15=53,2 от 0,34 до 0,86

3 3 от 50 до 100 от 798 до 1128 от 15 до 30 от 798/30=26,6 до 1 128/15=75,2 от 0,71 до 0,90

4 1 до 10 не более 357 от 15 до 30 не более 357/15=23,9 от 0,00 до 0,67

4 2 от 10 до 50 от 357 до 798 от 15 до 30 от 357/30=11,9 до 798/15=53,2 от 0,34 до 0,86

4 3 от 50 до 100 от 798 до 1128 от 15 до 30 от 798/30=26,6 до 1128/15=75,2 от 0,71 до 0,90

5 1 до 10 не более 357 от 5 до 15 не более 357/5=71,4 от 0,00 до 0,89

5 2 от 10 до 50 от 357 до 798 от 5 до 15 от 357/15=23,9 до 798/5=159,6 от 0,67 до 0,93

5 3 от 50 до 100 от 798 до 1128 от 5 до 15 от 798/15=53,2 до 1128/5=225,6 от 0,86 до 0,95

На основании требований к площади, глубине и аэрации карьера (см. таблица 2.14) для каждой из 15 рассматриваемых групп карьеров определены возможные виды использования при благоприятности прочих условий

(приложение 1). Причем в таблице приложения 1 дополнительно указаны возможные виды использования и для карьеров, засыпанных до размеров каждой группы (графа 7 приложения 1). Это позволяет еще больше уточнить выбор вида использования нарушенных территорий.

На основании анализа геометрических параметров каменных карьеров (приложение 1) и требований к ним (таблица 2.14) определены возможные значения переменных индексов "Б, В, Д, Ж" классификации каменных карьеров (таблица 2.15) для каждого вида использования (таблица 2.17).

По таблице 2.17 можно определить возможные виды использования для любого каменного карьера путем сравнения значений классификационных индексов карьера и указанных для каждого вида использования. Например, для карьера с индексом Б-1, В-1, Д-1, Ж-2 возможны следующие виды использования: устройство водоема для технических нужд (индекс вида использования - 10), для которого данный карьер ограниченно благоприятен по глубине (в таблице 2.17* индекс Б-1 указан со знаком "*"), и устройство полигона твердых отходов (индекс вида использования - 12), для которого данный карьер полностью благоприятен. При совпадении в индексе двух и более, отмеченных знаком "*", карьер для данного вида использования считать непригодным, так как при этом накладываются друг на друга несколько неблагоприятных факторов, что значительно увеличит затраты на восстановление. Например, для карьеров группы Б-4, В-2, Д-2, Ж-3 строительство на борту невозможно (индекс вида использования - 3; таблица 2.17), так как потребуются дополнительные затраты на террасирование склонов и на озеленение (в таблице 2.17 со знаком "*" указаны индексы Б и Ж). Еще более неблагоприятен для этого вида использования карьер с индексом Б-4, В-2, Д-3, Ж-3, так как к указанным выше условиям добавляется заболоченность (в таблице 2.17 индекс Д-3 для вида использования 3 указан со знаком "*").

Таблица 2.17 - Возможные значения переменных индексов в зависимости от вида использования карьера [169]

Индекс Возможные Индекс вида Возможные Индекс Возможные

вида значения использования значения вида значения

использ 2 индекса2 индекса использования индекса

о-вания1 Б В Д Ж Б В Д Ж Б В Д Ж

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

1 2 1 1 2 5 3 3 1 2 9 3 1 1 2

3 2 3 4* 2* 2 3* 4 2 2 3

4 3* 5 2* 5 3 3

5 3

2 3 3 1 2 6 3 2 1 2 10 1* 1 1 2

4* 2 3* 4* 3 2 3* 2* 2 2 3

5 2* 3* 5 3* 3 3 3

3 4 4

5 5

3 3 2 1 2 7 1* 3 1 2 11 1* 1 2

4* 3 2 3* 2 2 2 2 3

5 3* 2 1 3* 3 3

3 2 4

4* 3 5

5

4 3 1 1 2 8 3 3 1 2 12 1 1 1 2

4 2 3 4* 2 2 2 2 2 3

5 3* 5 3 3 3

4

5

1- полное наименование вида использования каменного карьера (таблица 2.15.)

2

2 - значения индексов указаны с учетом возможности сочетаний.

Например, для вида использования "2" индексы Б-3 и Б-4 могут сочетаться только с В-3.

Примечание: территорию, описываемую индексом со знаком "*", считать ограниченно благоприятной для данного вида использования. При совпадении двух и более отмеченных индексов территорию считать неблагоприятной.

С помощью таблицы 2.17 составлен указатель возможных видов использования каменных карьеров (приложение 2) в котором для каждой группы карьеров по полной инженерно-геологической характеристике2 указаны возможные виды последующего использования с делением их на преимущественные (для которых карьер полностью благоприятен) и допустимые (для

2 1Так как пригодность грунтов в качестве оснований зданий и сооружений и термический режим пород приняты однозначными (индексы "А", "Г", "Е", таблица 2.15), то в приложении В указаны только переменные индексы.

которых карьер ограничено благоприятен). В эту таблицу также введена графа для карьеров, преобразованных до указанных характеристик (графа 10, приложение В).

Пользоваться приложением В удобнее, чем таблицей 2.17, так как не надо просматривать все виды использования. Достаточно определить классификационный индекс карьера (по таблице 2.3-2.10 с учетом таблицы 2.15), чтобы по Указателю (приложение В) найти возможные виды его использования.

С помощью таблиц, аналогичных таблице 2.17, можно составить подобные Указатели для любых нарушенных территорий. Причем, применение для классификации нарушенных территорий морфологического анализа позволяет для составления Указателя применить персональный компьютер.

На втором этапе выбора возможных видов использования каменных карьеров виды использования, допустимые по инженерно- геологической характеристике карьера, проверяются на соответствие градостроительным требованием.

В этом случае достаточно рассмотреть 12 возможных характеристик градостроительной ценности карьеров, полученных сочетанием индексов "И" и "К" (таблицы 2.9, 2.10).

Для каждой возможной схемы расположения каменных карьеров в плане города при учете природно-климатических условий определены преимущественные, допустимые и недопустимые виды использования.

Применение для классификации нарушенных территорий морфологического анализа и использование приложения 1 и 2 значительно упрощают процесс выбора вида использования каменного карьера. Методика выбора видов использования каменного карьера приведен на рисунке 2.10 [169].

Рисунок 2.10 - Порядок выбора возможных видов использования каменного карьера [169]

Собрав необходимые сведения о карьере (шаг 1, рисунок 2.10), нужно определить классификационные индексы по таблицам 10-19 (шаг 2, рисунок 2.10). При этом нужно учесть возможное изменение характеристик карьера в перспективе (например, изменение расположения карьера в плане города. По индексам "Б", "В", "Д", "Ж" по Указателю возможных видов использования каменных карьеров (приложение 2) виды использования для рассматриваемого карьера (шаг 3, рисунок 2.10). По найденным видам использования определить необходимые столбцы. По условным обозначениям в клетках пересечений строки и столбцов определить возможные виды использования (шаг 4, рисунок 2.10).

При совпадении ограниченной благоприятности карьера для того или иного вида использования (в Указателе (приложение В) этот вид использования отмечен знаком "*") и допустимости по градостроительной ценности данный вид использования из дальнейшего рассмотрения необходимо исключить. Если в результате проделанной работы вид использования карьера не определен (в существующем состоянии карьер не может быть использован), нужно предусмотреть комплекс восстановительных мероприятий (например, засыпка или террасирование склонов и др.) и повторить поиск, но уже по предлагаемым характеристикам карьера после их проведения (шаг 5,6, рисунок 2.10). После нахождения преимущественных и допустимых видов использования карьера окончательный выбирают на основании экономического сравнения вариантов использования карьера (шаг 7, рисунок 2.10). При этом нужно учитывать как затраты на проведение восстановительных мероприятий, так социально-экономический эффект от предотвращения ущерба, вызванного загрязнением окружающей среды [169].

2.6 Перспективы использования каменных карьеров в градостроительном

планировании

Так как с помощью морфологического анализа в работе рассмотрены все предполагаемые виды каменных карьеров, то можно оценить перспективы использования карьеров для градостроительства (таблица 2.18)

Таблица 2.18 - Перспективы использования каменных карьеров [169]

Индекс вида использования Вид использования Количество групп карьеров, допускающих данный вид использования

По инженерно- геологической характеристике По градостроительной ценности По полной характеристике

Всего В % к возможному1 Всего В % к возмож- ному2 Всего В % к возмож- ному3

1 2 3 4 5 6 7 8

1 Строительство промышленных и коммунально-складских зданий с исполь-зованием объема всего карьера 30 20 12 100 360 20

2 Строительство промышленных и складских зданий на дне карьера 16 10,7 8 66,7 128 7,1

3 Строительство промышленных и коммунально-складских зданий на борту карьера 26 17,4 12 100 312 17,3

Промышленное и коммунально-складское строительство в том или ином виде 44 29,3 12 100 528 29,3

4 Строительство жилых и общественных зданий с использованием всего объема карьера 18 12 9 75 162 9

5 Строительство жилых и общественных зданий на дне карьера 12 8 6 50 72 4

6 Строительство жилых и общественных зданий на бортах карьера 26 17,3 9 75 234 13

Гражданское строительство 32 21,3 9 75 288 16

7 Озеленение в противо-эрозионных целях 37 24,7 6 50 222 12,3

8 Сельскохозяйственные посадки 12 8 7 58 84 4,7

9 Создание парков 54 36 12 100 648 36

10 Устройство водоемов для технических нужд 150 100 9 75 1350 75

11 Устройство водоемов для купания и занятий спортом 30 20 12 100 360 20

12 Полигоны твердых отходов 90 60 6 50 540 30

1 - за 100% приняты 150 возможных сочетаний по инженерно-геологической

характеристике.

2 - за 100% приняты 12 возможных сочетаний по градостроительной ценности территории.

3 - за 100% приняты 1800 групп рассматриваемых карьеров.

Примечание: количество групп карьеров, допускающих тот или иной вид использования определено с помощью таблицы 2.17.

Наиболее благоприятны каменные карьеры для устройства водоемов для технических нужд. Этот вид использования допускают 75% карьеров. Благоприятны карьеры и для устройства полигонов твердых отходов (30%). Но так как каменные карьеры очень часто расположены в зоне застройки или примыкают к ней, то указанные виды использования недопустимы. Подавляющее большинство каменных карьеров в настоящее время используется для создания парков и лесопарков. Для этого вида использования благоприятно 36 % каменных карьеров. А для строительства зданий и сооружений каменные карьеры практически не используются, хотя этот вид использования допускают 29,3% карьеров, чуть меньше, чем для создания парков. Постоянный рост дефицита территорий для строительства заставляет обратить особое внимание на этот возможный вид использования каменных карьеров.

Восстанавливая нарушенную территорию, расположенную в городской черте, можно решить сразу несколько важных задач [113]:

- устранить (нейтрализовать) вредное воздействие нарушенной территории на окружающую среду и, в первую очередь, на здоровье человека;

- рационально использовать восстановленную территорию для нужд городского хозяйства;

- улучшить аэрационный режим на восстановленной территории путем формирования техно-генного рельефа с заранее заданными геометрическими параметрами.

Необходимость первоочередного восстановления нарушенных территорий в городах и зонах их влияния и использование восстановленных территорий в градостроительных целях диктуется прежде требованием создания благоприятных санитарно-гигиенических условий для труда, быта и отдыха населения [60].

Глава 3. Теоретическое и экспериментальное решение задач

Техногенный рельеф вносит существенные изменения в аэрационный режим территорий, которые состоят в том, что воздушный поток, обтекающий различные формы техногенного рельефа, трансформируется как по величине скорости, так и по направлению движения. Для аэрационного режима эти изменения выражаются через коэффициенты ц; и утлы трансформации А

где Пи а - скорость и азимут воздушного потока в точке I;

По, а0 - скорость и азимут невозмущенного воздушного потока.

Зная скорость и азимут ветра в данном географическом пункте (по многолетним наблюдениям на ближайшей метеостанции) и значения коэффициентов и углов трансформации т и Аа;, можно рассчитать аэрационный режим на рассматриваемой территории.

Наиболее привлекательным путем решения задач аэрации рассматриваемых территорий являются теоретические методы, позволяющие получить искомые величины, не прибегая к экспериментам.

Прежде чем перейти к теоретическому решению задач аэрации нарушенных территорий, рассмотрим геометрические параметры техногенного рельефа. Классификация техногенного рельефа по геометрическим параметрам необходима при решении вопросов восстановления на-рушенных территорий, а обобщенные формы техногенного рельефа используются в теоретических и экспериментальных исследованиях аэрационного режима нарушенных территорий.

аэрации нарушенных территории

ч

а1 = а0 ± Ла^

и - Ш • т,-

(3.1)

(3.2)

3.1. Типология техногенного рельефа, формы рельефа и его геометрические

параметры

При оценке нарушенных территорий с целью выбора направлений использования их в градостроительстве первостепенное значение имеет техногенный рельеф этих территорий. Геометрические параметры техногенного рельефа (формы карьерных выемок и отвалов и их размеры в плане, глубина выемок и высота отвалов, углы откосов отвалов и бортов карьерных выемок, наличие и количество террас, высота ярусов и т.д.) имеют чаще всего решающее значение при определении комплекса мероприятий по преобразованию рельефа и инженерной подготовки территории.

Форма техногенного рельефа и его геометрические параметры зависят от природных условий залегания полезного ископаемого, технологии добычи и применяемого оборудования, механического состава вскрышных и вмещающих пород и их влажности, высоты отсыпки отвалов и их ярусности и др. Техногенный рельеф может иметь положительную или отрицательную форму.

Земная поверхность, имеющая уклон менее 2°, называется субгоризонтальной; если форма рельефа возвышается над субгоризонтальной поверхностью, то она является положительной, если форма представляет собой углубление, то она называется отрицательной [229].

К положительным формам техногенного рельефа относятся всевозможные отвалы горнодобывающей и горноперерабатывающей промышленности (отвалы вскрыши и вмещающих пород, шламо- и хвостохранилища, дражные полигоны), золоотвалы ТЭЦ, шлакоотвалы металлургического производства, свалки твердых бытовых и промышленных отходов

К отрицательным формам техногенного рельефа относятся карьерные шлейки и траншеи, прогибы и проседания земной поверхности, провалы и трещины, возникшие в процессе (или как следствие) ведения горных работ.

К наиболее распространенным формам техногенного рельефа относятся отвалы. В районах с развитой горнодобывающей промышленностью отвалы занимают значительные площади. В Челябинской области площадь, занимаемая

отвалами только открытых горных работ, составляет более 10 тыс. гектаров, что соответствует 40% площади всех нарушенных территорий области.

Рассмотрим формирование отвалов на примере производственного объединения «Челябинскуголь» (рисунок 3.1). Формирование отвалов ведется здесь железнодорожным и автомобильным транспортом. Имеются также и гпдроотвалы. Гидроотвалы характеризуются небольшой высотой (4...8 м), большой площадью отсыпки и достаточно ровной поверхностью. Площадь их составляет 50...100 га. Общая площадь, занимаемая гидроотвалами в ПО «Челябинскуголъ», составляет 720 га.

Автомобильные отвалы характеризуются большой высотой и сравнительно небольшой площадью отсыпки. Формируются отвалы ярусами, причем, нижний ярус имеет высоту до 20 м, а верхние - 10... 15 м. Общая площадь территорий, занятых отвалами, составляет 382 га, в том числе: менее 10 га - два отвала, менее 50 га - четыре отвала, менее 100 га -один отвал, более 100 га - один отвал.

Рисунок 3.1 - Карьерно-отвальный комплекс Копейского угольного резерва

Железнодорожные отвалы занимают большую площадь и характеризуются значительными неровностями рельефа. Железнодорожный отвал Коркинского

угольного разреза, который занимает площадь 1284 га, отсыпан в пять ярусов общей высотой до 100 метров. На период отработки карьера высота отсыпки отвала достигнет 160 м (6-7 ярусов), он будет занимать территорию в 1360 га.

Железнодорожный отвал разреза «Батуринский» имеет площадь 111 га, высоту 20 м, в настоящее время засыпается породой, доставляемой автотранспортом. Южный железнодорожный отвал разреза «Коркинский» занимает территорию в 68 га, его высота 12 метров. Он используется для строительства различных зданий и сооружений. На нем возведены овощехранилище, ветлечебница и другие постройки.

Для оценки техногенного рельефа по занимаемой площади можно предложить следующую классификацию: малые отвалы (до 10 га), средние (11... 50 га), крупные (51...100 га) и очень крупные (свыше 100 га).

По высоте отвалы можно классифицировать следующим образом: невысокие (до 15 м), средневысокие (16...30 м) и высокие (31...100 м и более).

Важной характеристикой геометрических параметров техногенного рельефа являются углы откоса отвала. Углы откосов отвалов обычно соответствуют углу естественного откоса отсыпаемой породы, который зависит ОТ физико-механического состава породы и ее влажности. Угол естественного откоса для разных пород составляет 28...40°. С увеличением высоты отвала для обеспечения его устойчивости угол откоса должен уменьшаться. После окончания отсыпки отвала откосы его должны выполаживаться до, 11.. .28° с целью уменьшения эрозионных процессов на склонах (рисунок 3.2).

Форма откоса отвала может быть сплошной или террасной. Террасная форма характерна для высоких отвалов. Террасированные отвалы имеют большую устойчивость, поэтому допускается утлы откоса таких отвалов выполаживать до 30...35°.

Таким образом, можно различать отвалы со склонами: пологими (18°±6°), среднекрутыми (30°±6°) и крутыми (42°±6°).

Значительно изменяются геометрические параметры отвалов при наличии уступов и террас (ярусов). Ширина уступа варьируется в пределах 20...60 м.