Лаборатория № 20 "Геоэкотехнологий"

На основании изучения самоорганизуемой природы почв обоснована методология и разработана технология восстановления природных экосистем, нарушенных при освоении георесурсов, в соответствии с принципом их самоорганизации. Восстановление природных экосистем рассматривается как эволюция системы «горная порода-биота» в конкретных климатических условиях. Повышение энергетического потенциала биоты в результате создания на первом этапе сеяного злакового фитоценоза без нанесения плодородного слоя обеспечивает быстрое образование биогенно-гумусо-аккумулятивного горизонта и значительно более быстрое, чем при самозарастании, формирование фитоценоза со структурой окружающего природного ландшафта.

Анализ данных геоботанического описания фитоценоза, формирующегося в ходе эволюции системы «горная порода - биота», на откосах ограждающей дамбы складированных отходов рудообогащения Хибинской группы месторождений, выполненного в 2023году, показал наличие растений-доминантов всех ярусов окружающего природного ландшафта. Выявлено 67 видов растений из 30 семейств (11 древесных, 34 травянистых и кустарничковых), 11 видов мхов и 11 видов лишайников. Динамика подселения растений-доминантов окружающего природного ландшафта в ходе лесной стадии сукцессии сеяного злакового фитоценоза, увеличение площади их проективного покрытия свидетельствуют о том, что формирование на первом этапе восстановления природных экосистем, нарушенных при освоении георесурсов, биологически активной среды созданием сеяного злакового фитоценоза без нанесения плодородного слоя обеспечивает быстрое формирование фитоценоза со структурой окружающего природного ландшафта и свидетельствует о восстановлении природных экосистем (таблица 1).

Изучены факторы восстановления растительного покрова, нарушенного при освоении месторождений полезных ископаемых, на примере фитоценоза, формирующегося на ограждающей дамбе складированных отходов обогащения апатит-нефелиновых руд Хибинской группы месторождений по разработанной в Горном институте КНЦ РАН методологии восстановления природных экосистем созданием биологически активной среды без нанесения плодородного слоя  (рисунок).

По данным спутниковых наблюдений в течение вегетационного периода изучено влияние рельефа и тепловлагообеспеченности на состояние формирующегося фитоценоза с использованием градиентных по высоте откоса ограждающей дамбы трансектах разной экспозиции. Применением усовершенствованной процедуры паншарпенинга обеспечены согласование пространственного разрешения спутниковых снимков с минимальным характерным размером элементов откоса дамбы и представительность данных, полученных при оценке состояния растительного покрова вегетационным индексом и индексом стресса влажности растений. Проведено обучение двух искусственных нейронных сетей прогнозу индексов вегетационного и стресса влажности растений на массиве данных, полученных в результате обработки видимых, инфракрасных и тепловых спектральных каналов спутниковых снимков исследуемого объекта. С помощью нейросетевой модели показано, что вегетационный индекс формирующегося растительного покрова антибатен индексу стресса влажности растений – доминирующему фактору восстановления природных экосистем, и температуре поверхности ограждающей дамбы хвостохранилища. Показано, что неблагоприятное сочетание факторов восстановления растительного покрова выявляется применением обученной нейросетевой модели без дополнительного привлечения данных спутниковых наблюдений.

Характерным видом загрязнения вод, сопровождающим освоение георесурсов, является загрязнение взвешенными тонкодисперсными минеральными частицами, которое традиционно изучается по поглощению и рассеянию света частицами. Вместе с тем, коэффициенты поглощения и обратного рассеяния света минеральными частицами могут быть рассчитаны на основе спектральной яркости водных объектов по мультиспектральным спутниковым снимкам. В этой связи, анализ рассеяния света в поверхностном слое водных объектов по спутниковым данным является перспективным для мониторинга взвешенных веществ, поскольку в отличие от точечных наземных наблюдений, спутниковые снимки обеспечивают полный охват наблюдаемой территории. Исследование поверхностного слоя водных объектов как единого целого позволяет наблюдать развернутый в пространстве процесс самоочищения воды от загрязнения взвешенными веществами, в том числе в результате седиментации.

Изучена седиментационная устойчивость взвешенных тонкодисперсных минеральных частиц по данным спутниковых наблюдений их агрегации и седиментации на примере самоочищения субарктических озер от загрязнения отходами переработки апатит-нефелиновых, железных, медно-никелевых руд. По мультиспектральным снимкам водных объектов, сделанных космическим аппаратом Sentinel-2, определены средний размер взвешенных тонкодисперсных отходов переработки минерального сырья и плотность распределения частиц по крупности (рисунок).

Для учета агрегации разработана компьютерная модель динамики взвешенных частиц и выполнена параметризация сил электростатического и дисперсионного взаимодействия частиц минералов месторождений Кольского горнопромышленного комплекса. Показано, что баланс электростатической силы отталкивания и дисперсионных сил притяжения проявляется в образовании агрегатов тонкодисперсных минеральных частиц с характерной фрактальной размерностью, на примере Нефелина, Магнетита, Кварца, Пирита. Разработан алгоритм согласования результатов компьютерного моделирования динамики взвешенных частиц с результатами, полученными обработкой спутниковых изображений водных объектов.

Получено хорошее соответствие расчетных параметров седиментации тонкодисперсных отходов переработки минерального сырья в поверхностном слое водных объектов и данных спутниковых наблюдений. Определение седиментационной устойчивости загрязнения водоемов тонкодисперсными отходами переработки минерального сырья в рамках разработанного методического подхода не требует проведения наземных наблюдений; результаты исследований позволяют рассчитать скорость седиментации минеральных частиц и их агрегатов заданной крупности, что может быть использовано для мониторинга загрязнения водных объектов при адаптации технологий переработки минерального сырья к современным требованиям экологизации производства.

Значительные объемы добычи, перемещения и переработки руд при освоении месторождений полезных ископаемых являются источником загрязнения природной среды тонкодисперсными минеральными частицами. Несмотря на разнообразие существующих технологических решений, подбор метода кондиционирования вод, одновременно обеспечивающего низкие затраты и экологическую приемлемость, проблематичен. Решением этой проблемы является использование отходов основного производства предприятий. Практический и научный интерес представляет выявление условий агрегации взвешенных веществ с тонкодисперсными частицами пустой породы, подвергнутыми в процессе измельчения руд механической активации поверхности, для снижения содержания взвешенных в сточных водах без добавления реагентов.

Исследована агрегация в полидисперсной системе частиц микронного размера, на примере, разрабатываемых месторождений Кольского горнопромышленного комплекса. Предложен методический подход к оценке констант дисперсионных взаимодействий в системах минерал-вода и минерал-вода-минерал, основанный на согласовании набора экспериментальных данных об агрегации тонкодисперсных частиц, полученных методом лазерной дифракции в равновесных условиях (рисунок).

Установлено, что агрегация наиболее выражена в системах с частицами Гематита или Нефелина, в качестве хотя бы одного из компонентов, в меньшей степени - Пирита. Причины различия в свойствах поверхности бинарных соединений железа: Пирита (FeS2) и Гематита (Fe2O3), заключаются в различии взаимодействия воды с поверхностью их частиц: эффективная константа взаимодействия с водой Гематита (58.8 зептоДж) выше, чем у Пирита (52.2 зептоДж) и близка по величине к константам взаимодействия с водой Нефелина и Кварца (58.7 и 58.5 зептоДж, соответственно). Выявлен эффект неаддитивности дисперсионных взаимодействий в системах минерал-вода и минерал-вода-минерал. Так, различие констант Гамакера Гематит-Вода и Пирит-Вода на 11% приводит к двукратному различию констант в системах Гематит-Вода-Гематит и Пирит-Вода-Пирит.

С учетом полученных результатов целесообразно рассматривать отходы переработки железных и нефелинсодержащих руд в качестве перспективных материалов для кондиционирования вод, загрязненных взвешенными веществами. При этом следует принять во внимание ограниченную возможность удаления взвешенных веществ, характеризуемых малыми константами взаимодействия частиц через водную прослойку, например, Пирита. Для прогнозирования такой нежелательной ситуации, перспективен, простой в исполнении методический подход, заключающийся в экспериментально-расчетной оценке эффективных констант Гамакера взвешенных веществ на основе рутинной процедуры гранулометрического анализа лазерной дифракцией.

Образование частиц магнетита микронного и субмикронного размера неизбежно сопровождает процессы переработки железных руд, что с учетом значительного объема отходов переработки железных руд обуславливает актуальность исследования свойств тонкодисперсных отходов горного производства с целью их выделения, снижения загрязнения природной среды и воздействия на человека. Однако, прогнозирование структурообразования при магнитном взаимодействии частиц до сих пор остается нерешенной задачей из-за сложной конфигурации результирующего магнитного поля, что обусловлено его дальнодействием. Для прогнозирования магнитных свойств суспензии на примере магнетита месторождений Заимандровского железорудного района разработана компьютерная модель динамики взаимодействия магнитных частиц, учитывающая их агрегацию под влиянием магнитного диполь-дипольного взаимодействия и разрушения агрегатов при тепловом (броуновском) движении. Расчетом показано, что электростатическое и дисперсионные взаимодействия не оказывают существенного влияния на динамику взаимодействия микронных и субмикронных частиц магнетита с учетом измеренных экспериментально дзета-потенциала и константы Гамакера. Разработана процедура калибровки компьютерной модели динамики взаимодействия магнитных частиц с использованием температурной зависимости коэффициента трансляционной диффузии частиц магнетита и концентрационной зависимости магнитной восприимчивости суспензии. Разработанный методический подход обеспечивает хорошую сходимость расчетных и экспериментальных данных и позволяет визуализировать агрегацию модельных частиц в результате их диполь-дипольных взаимодействий, рисунок. Разработанная компьютерная модель динамики взаимодействия магнитных частиц может быть применена для изучения воздействия внешнего магнитного поля на агрегационную способность тонких частиц магнетита с целью управления их извлечением в сепарационных процессах.

Направления использования или применения научной разработки (отрасль, предприятие):

предприятия гонопромышленного, горно-металлургического, топливно-энергетического комплексов, муниципальные и строительные объекты.

Технология создания дернины без нанесения плодородного слоя применима для решения проблемы опустынивания, восстановления техногенно-нарушенных земель, консервации промышленных и муниципальных отходов, создания дернины на откосах транспортных магистралей, берегах каналов и рек без их предварительного укрепления, обустройства строительных площадок; создания и ремонта спортивных сооружений, закрепления движущихся песков.

   Технология создания дернины без нанесения плодородного слоя является:

• - универсальной (эффективна на разных субстратах, в различных климатических зонах, на любом рельефе без предварительного     укрепления);
• - технологичной (обеспечивает быструю реализацию с использованием серийно выпускаемой техники многоцелевого назначения);
• - высокопроизводительной (обеспечивает закрепление больших площадей - сотни гектаров - в короткие сроки);
• - экономически выгодной (за счет исключения затрат по нанесению плодородного слоя; уменьшения выплаты штрафов за       загрязнение природной среды в результате пыления);
• - экологически целесообразной.

Направления использования или применения научной разработки (отрасль, предприятие):

предприятия нефтедобывающего и нефтеперерабатывающего, топливно-энергетического комплексов, топливно-транспортные участки предприятий других отраслей промышленности.

Технология утилизации мазута из нефтеловушек биосорбционным методом на открытых площадках позволяет предприятиям решать проблему экономичным способом. Использование микробиологического препарата широко спектра действия, адаптивного к северным климатическим условиям и обладающего высокой окислительной способностью к различным нефтепродуктов, в том числе, к промежуточным продуктам их деструкции, создание сеяного злакового фитоценоза без нанесения плодородного слоя для образования биологически активной среды обеспечивают высокую степень утилизации мазута уже в течение первого вегетационного периода.

Оптимизация процессов утилизации мазута в грунте происходит за счет интегрированного взаимодействия углеводородокисляющей микрофлоры и корневых выделений сеяного фитоценоза. Корневые выделения в ризосфере растений повышают биохимическую активность как интродуцированной, так и местной углеводородокисляющей микрофлоры. Полимерное покрытие, созданное после посева трав, способствует росту и развитию растений за счет улучшения экологического фона корнеобитаемых горизонтов – повышения водоудерживающей способности, стабилизации гидротермического режима, активизации биохимической активности.

Направления использования или применения научной разработки (отрасль, предприятие): предприятия гонопромышленного, горно-металлургического комплексов, ведущие открытую разработку месторождений

В Горном институте КНЦ РАН разработана автоматизированная Система комплексного мониторинга состояния атмосферы глубоких карьеров, в составе которой мониторинг метеоусловий, приводящих к скоплению загрязняющих веществ в атмосфере карьера, и мониторинг газового состава атмосферы внутрикарьерного пространства, характеризующий уровни загрязнения. На основе фактических данных Системы мониторинга состояния атмосферы внутрикарьерного пространства и синоптической информации, получаемой по общедоступным каналам, рассчитывается прогноз метеоусловий, приводящих к скоплению загрязняющих веществ в рабочих зонах карьера.

Система мониторинга базируется на программно-аппаратном комплексе автоматизированного контроля параметров атмосферы карьера, позволяющем получать фактические данные о состоянии атмосферы внутрикарьерного пространства в оперативном режиме. Основой аппаратного обеспечения Системы комплексного мониторинга является мониторинговая сеть автоматических измерительных постов, расположенных по разным бортам карьера на различных горизонтах. В состав измерительного поста входит метеорологическое оборудование для измерения метеопараметров атмосферы внутрикарьерного пространства и комплекс газоаналитического оборудования для контроля газового состава атмосферы карьера.

Программное обеспечение включает в себя комплекс системных программ, выполняющих сервисные функции по управлению аппаратным обеспечением мониторинговой сети, и прикладных программ, реализующих задачи по формированию информационного ресурса и представлению информации пользователю. Информационный ресурс Системы мониторинга формирует базу данных количественных и качественных показателей, характеризующих состояние атмосферы внутрикарьерного пространства. На основе фактических данных Системы мониторинга состояния атмосферы внутрикарьерного пространства, синоптической информации, получаемой по общедоступным каналам, рассчитывается прогноз метеоусловий, приводящих к скоплению загрязняющих веществ в рабочих зонах карьера.