ГЕОТЕХНОЛОГИИ

Геотехнология, как наука, изучающая способы и процессы освоения недр, создающая теоретические основы и инженерные решения эффективной, экономически и экологически целесообразной разработки подземных (геологических), почвенных и биосферных конструкций в разнообразных инженерно-геологических условиях.

Раздел горной науки, изучающий методы бесшахтной добычи твердых полезных ископаемых, основанные на переводе их в подвижное состояние в недрах земли за счет тепловых, массообменных, химических, гидродинамических, микробиологических и др. процессов.

Методы геотехнологии: подземное растворение, подземное выщелачивание, скважинная гидродобыча, подземная выплавка серы, подземная газификация углей, скважинная добыча битумов и вязких нефтей, извлечение глубинного тепла земли, извлечение полезных ископаемых из подземных вод. Процесс добычи, как правило, ведется через скважины.

Предмет изучения – различные объекты (залежи полезных ископаемых, методы, средства добычи, технологические процессы и явления и др.), входящие в сферу деятельности горной промышленности и рассматриваемые с позиций геотехнологии.

Цель – развитие методов активного воздействия на полезное ископаемое, геологическую обстановку горной среды и процессы добычи, расширение области эффективного применения геотехнологических методов добычи на месторождениях со сложными горно-геологическими условиями.

Основные области исследований это: подземные процессы – растворения солей, выщелачивание металлов, газификация каустобиолитов, выплавка серы, битума, вязких нефтей, скважинная гидродобыча полезных ископаемых.

Три основных направления

Первое – изучение горной среды. Цель – определение возможности перевода извлекаемого полезного ископаемого или его инградиентов в подвижное состояние (газ, раствор, расплав, подвижные смеси) непосредственно на месте залегания и влияния на этот процесс физико-геологической обстановки. Перевод полезного ископаемого в подвижное состояние осуществляется следующими способами: Физическим – плавление, перегонка (воздействие температуры, давления); гидро-пневморазрушение; химическим – окисление, разложение (частичное или полное сжигание, обжиг), выщелачивание и растворение с образованием молекулярных растворов, растворение связующего вещества; физики-химическими реакциями с участием физических полей, гидрогенизация, растворение и выщелачивание с участием физических полей, диспергирование поверхностно-активными веществами, химическими реагентами и физическими полями; микробиологическое – бактериальное воздействие, бактериальное выщелачиваание, бактериальное растворение цемента.

Второе – изучение физического и химического изменения полезного ископаемого и вмещающих пород (установление природы процесса и последовательности протекания отдельных стадий).

Третье – изыскание и разработка способов и средств осуществления геотехнологических процессов добычи, выявление их зависимости от геологической обстановки. В процессе добычи направленное изменение состояния полезного ископаемого рассматривается в едином комплексе с физико-геологической обстановкой.

Термин не является общепринятым и находится в стадии становления. В классическом понимании ранее подразумевались, прежде всего, технологии горных работ, способы добычи и переработки сырья.

Термин проник в строительную отрасль, связанную с подготовкой грунтов и инженерно-геологической среды в целом для строительства.

Позже термин проник и в область естественных наук (геомониторинг). Термин расширил свое содержание на сферу пространственно-временного анализа различных предметных областей – при размещении обслуживающих коммерческих объектов, получения образов и изображений Земли из космоса и т.д.

Широко упортебляются термины «геотехнологии», «геопространственные технологии», «геоинформационные технологии». Активно используется в области территориального планирования.

Геотехнологии могут представлять собой типовые примеры прикладных задач в области управлением территориальным развитием, реализованные на основе применения комплекса современных ГИС-технологий и соответствующих геоданных.

Геотехнология (в почвоведении), как дисциплина, изучающая основы прогнозирования, расчета и создания целевых почвенных конструкций (искусственных почв).

Геотехнология (в экологии и природопользовании), как дисциплина, формирующая понимание сущности химико- технологических процессов с нацеленностью на решение прикладных задач по охране окружающей среды.

Целевые конструкции, имеющие определенное предназначение, например, газоны, парковые зоны, «зеленые крыши», рекультивационные зоны, геохимические барьеры и пр.

Можно предложить следующую группировку почвенных конструкций, целенаправленно создаваемых человеком с использованием как ручного труда, так и технических средств:

земледельческие искусственно создаваемые почвы;

почвенные конструкции плоскостных спортивно-игровых сооружений;

технические геостабилизационные конструкции;

технические почвенно-мелиоративные конструкции;

влагоаккумулятивные солезащитные почвенные конструкции аридных земель и урбаногенных ландшафтов.

Искусственные земледельческие почвы, как правило, создаются и существуют столетиям. К данному виду, соответствующему по международной классификации антросолям, можно отнеси древнеорошаемые ирригационно-аккумулятивные почвы речных долин и рисовых плантаций, китайские насыпные почвы «хейлуту», североевропейские рукотворные почвы «плагген», рукотворные «монастырские» почвы о. Валаам и Соловецких островов и иные высокоокультуренные почвы садов и огородов. Основной фактор их формирования – внесение органических веществ, сопутствующих материалов и удобрений, направленное на улучшение качества исходных почв и их плодородия. Под действием человека и природных факторов в таких почвах формируются мощные (30см и более) гумусово-аккумулятивные и органогенные горизонты, сосредотачивающие в себе необходимые для получения устойчивых высоких урожаев качественной сельскохозяйственной продукции запасы влаги и питательных элементов. Тем самым антропогенное формирование подобных объектов осуществляется в соответствии с закономерностями природной биогенной организации, что гарантирует их устойчивость и эффективное функционирование.

Почвенным конструкциям плоскостных спортивно-игровых сооружений (футбольные поля, теннисные корты, поля для гольфа и регби, ипподромы и др.) посвящено достаточно публикаций. Их технологическая схема включает несколько искусственных минеральных слоев (от двух до пяти), часто с подземными коммуникациями для полива, дренажа и искусственного подогрева, и органо-минерального поверхностного плодородного слоя. В совокупности все слои формируют сложное природно-антропогенное почвоподобное тело. Его функциональные границы захватывают, в том числе, и природные субстраты в виде остаточных горизонтов почв, а внутренняя часть отличается контрастной текстурной дифференцированностью профиля. Поэтому нередко характеристики транспорта влаги и растворенных веществ и, соответственно, фитопродуктивность таких конструкций, сильно отличаются от запланированных в проекте. И без предварительных проработок, с использованием современных гидрофизических моделей, подобные сложные объекты, с учетом их дороговизны и значимости, не следовало бы проектировать методом «проб и ошибок».

Геостабилизационные почвенные конструкции, как правило, сооружаются с использованием специальных геоматериалов и технических средств с целью закрепления почвенной поверхности, предотвращения водной и ветровой эрозии, осыпей, обвалов, просадок грунта и иных неблагоприятных изменений. Одним из наиболее эффективных способов укрепления откосов является использование габионных конструкций, заполненных каменным материалом. Для создания плодородных слоев в специальных технических конструкциях, которые могли бы осваиваться растительностью, применяются различные варианты биоматов и биотекстилей, а также георешоток, заполняемых почвогрунтами. В современных геостабилизационных конструкциях чаще всего используется органичное сочетание вышеперечисленных материалов и технологий (каменистых габионов, гео- и биотекстилей, биоматов, георешоток), наряду с использованием местных материалов в виде почвогрунтов, щебня, природного камня и приемами закрепления растительностью.

Специальные изоляционные почвенные конструкции используются при захоронении вредных веществ, отходов и, в частности, при рекультивации и обустройстве полигонов ТБО. Подобные конструкции - это комбинация изоляционных и фильтрующих слоев-элементов, позволяющих собирать и отводить водные растворы ТБО и конденсат, а также обеспечивать изоляцию тела полигона от подпитки грунтовыми водами и атмосферными осадками путем их сброса в дренажную сеть. Защитные экраны выполняют из комбинации природных материалов (песка, гравия, щебня, глины, бентонита и их смесей) в сочетании с геосинтетическими материалами (синтетической рулонной изоляцией, геомембранами, геотекстилями, бентонитовыми матами и другими геокомпозитами). Не менее важной, чем гидроизоляция, является функция защиты от газовых эмиссий и, в частности, от метана, образующегося в теле полигона при анаэробной деструкции органических компонентов ТБО.

Наиболее распространенным видом инженерных почвенно-мелиоративных конструкций является дренаж. В отличие от рассмотренных выше вариантов конструирования, при проектировании дренажных конструкций используется довольно строгий инженерный расчет, основанный на информации о гранулометрическом составе и гидрофизических свойствах (коэффициент фильтрации, плотность (пористость), водоотдача) слагающих территорию почвогрунтов. Однако в большинстве классических разработок методология проектирования дренажа подразумевала освоение больших территорий, как правило, сельскохозяйственного или лесохозяйственного назначения. Сегодняшние требования, это скорее индивидуальный дренаж небольших земельных участков с жилыми строениями, гидроизоляция фундаментов и тому подобные задачи «частного сектора», и здесь методология проработана недостаточно, особенно в отечественной физике и мелиорации почв.

Помимо внутрипочвенного дренажа для борьбы с избыточным увлажнением и водной эрозией территории используются различного вида плоскостные инженерные сооружения – водотоки, террасы, валы, запруды, часто располагаемые в виде определенной последовательности – каскадов. В отличие от дренажных конструкций, плоскостные сооружения направлены на перехват и отвод в естественные (природные) или рукотворные (ливневая канализация) коллекторы поверхностного стока, возникающего при обильных осадках, таянии снега и иных ситуациях. Проектирование таких сооружений сводится к расчету их геометрических параметров и количества на заданной площади по максимально возможному объему вод, поступающих или отводимых с окружающей территории за определенное время.

Влагоаккумулятивные солезащитные слоистые почвенные конструкции. Основной технологический принцип конструкций – формирование системы отдельных функциональных слоев (горизонтов), имитирующих природную структурно-функциональную организацию почв. Каждый слой выполняет определенные специфичные функции, либо аккумулятивно-биоресурсные, либо защитные. При этом используются органические почвомодификаторы на основе природных и синтетических биополимеров, а также местные грунтовые материалы разной дисперсности. В верхней корнеобитаемой зоне создаются один или два аккумулятивных слоя, запасающих необходимую для растений влагу и питательные элементы. С этой целью применяются либо в чистом виде, либо в композициях с исходным минеральным грунтом природные (торф), модифицированные и синтетические (гидрогели) биополимеры. Нижняя часть отсекается от почвогрунта грубодисперсным экраном, который, прерывая капиллярную сплошность, способствует дополнительному подвешиванию влаги в корнеобитаемой толще и защищает ее от вторичного засоления и загрязнения водорастворимыми поллютантами с восходящими (возвратными) капиллярными токами влаги.