REKULTYWACJA GRUNTÓW ZNIEKSZTAŁCONYCH PRZEZ DZIŁALNOŚĆ GÓRNICZĄ
Spis zagadnień
Rodzaje górniczych zniekształceń gruntu
Ubytki i przemieszczenia mas ziemnych są głównym powodem zniekształcania budowy geologicznej, rzeźby terenu, wód podziemnych i powierzchniowych, szaty roślinnej. eksploatacja odkrywkowa pozostawia wyrobiska w ziemi i zwałowiska nadkładu. Nierzadko także zwały odpadów. Często obniża zwierciadło wód podziemnych, przekształcając ekosystemy mokradłowe w suchogruntowe na obszarze działania leja depresyjnego. Po zakończeniu eksploatacji górniczej lustro wody podziemnej powraca do stanu wyjściowego. Zawadnia więc ponownie byłe tereny mokradłowe i wyrobiska górnicze.
Rekultywacji wymagają grunty
zwałowisk nadkładu i odpadów zlokalizowanych poza terenem wydobywania kopaliny,
zwałowisk nadkładu i odpadów zlokalizowanych w obrębie odkrywki,
wyrobisk nie zapełnionych nadkładami i odpadami,
pozostałe grunty zniekształcone technicznie na terenie zakłada górniczego,
zniekształconych warunkach wodnych w zasięgu działania leja depresji.
Eksploatacja podziemna powoduje składowanie odpadów powydobywczych i przeróbczych oraz wielorakie zniekształcenia budowy geologicznej, rzeźby terenu, warunków wodnych, szaty roślinnej wskutek osiadania gruntu. W związku z tym rekultywować należy grunty składowania ów oraz zniekształcone. Długotrwałość składowania odpadów górniczych oraz ciągle postępujące zniekształcanie gruntów na terenach niecek osiadania komplikują rekultywację, która powinna być prowadzona sukcesywnie i równocześnie z likwidowaniem innych form szkód górniczych. Składowanie odpadów na obszarze niecek osiadania jest skutecznym sposobem technicznej rekultywacji gruntów zniekształcanych w trakcie wydobywania kopalin.
Otworowa eksploatacja deformuje budowę geologiczną, rzeźbę terenu, wody podziemne i powierzchniowe, a jednocześnie zanieczyszcza chemicznie glebę oraz szatę roślinną. Przykładem wieloczynnikowej i radykalnej dewastacji środowiska jest otworowa eksploatacja siarki.
Wyrobiska można podzielić na skaliste, piaskowo-żwirowe i gliniaste (ilaste) oraz na suchogruntowe i zawodnione. Zwałowiska nadkładu i odpadów są wyniesione zwykle teren otaczający, a te które zlokalizowano w wyrobiskach i w nieckach osiadania znajdują się powyżej lustra wody. Nadają się więc do leśnego, rekreacyjnego i rolniczego użytkowania. Glebotwórcza wartość gruntu zależy głównie od jego składu mechaniczne i chemicznego.
Wyrobiska i niecki osiadania zawodnione nadają się najbardziej do rekultywacji wodnej i wielofunkcyjnego użytkowania akwenów. Mogą być też zapełniane odpadami w celu rekultywacji gruntu.
Sposoby rekultywacji gruntów w działalności górniczej
Zwałowiska nadkładu w górnictwie odkrywkowym węgla brunatnego i siarki oraz zwałowiska odpadów w górnictwie węgla kamiennego są obiektami najbardziej zaawansowanej rekultywacji gruntów w Polsce. Budowa zwałowiska (składowiska) nadkładu lub odpadów nie jest celem rekultywacji gruntu, ale powinna spełnić podstawowe wymogi rekultywacji pogórniczego użytkowania gruntu (terenu). Niezbędne jest więc ukształtowanie:
stabilnej bryły zwałowiska nadpoziomowego,
glebotwórczej warstwy gruntu,
rzeźby terenu zapewniającej przyszłe użytkowanie obiektu oraz ochronę jego powierzchni przed erozją wodną,
systemu dróg dojazdowych,
systemu ujmowania i odprowadzania nadmiaru wód opadowych,
pokrywy glebowo-roślinnej,
a ponadto opracowanie i wdrożenie systemu ochrony oraz rekultywacji terenów przyległych do nadpoziomowej bryły zwałowiska.
Zwałowisko jest budowlą inżynieryjną, stąd powinno być projektowane, realizowane i eksploatowane zgodnie z zasadami prawa budowlanego. Wysokie i rozległe zwałowiska nadkładu kopalń odkrywkowych niszczą glebę i szatę roślinną na znacznych obszarach, tworząc zupełnie nowe elementy w krajobrazie, które należy wykorzystać do rozwoju rekreacyjnych funkcji terenu. Techniczna (podstawowa) rekultywacja jego gruntu powinna pozwolić na rekreacyjne użytkowanie obiektu, niezależnie od możliwości takiego zagospodarowania w przyszłości.
Szata roślinna na zwałowisku wysokim pełni funkcje ekologiczne, a mianowicie:
chroni powierzchnię przed erozją wodną i wietrzną,
zapewnia walory krajobrazowe,
stanowi niszę ekologiczną dla różnorodności flory i fauny,
reguluje krążenie wody.
Trwałe zazielenianie bryły zwałowiska jest więc naczelnym zadaniem rekultywacji biologicznej. Skarpy i tarasy zwałowisk należy utrwalać przez możliwie szybkie wprowadzenia roślinności trawiastej, która skutecznie osłania powierzchnię przed niszczącym działaniem wody i wiatru). Trawy można wysiewać w całym sezonie wegetacyjnym, a ich powolny wzrost nie ogranicza wegetacji sadzonek drzew i krzewów. Zaletą traw jest to, iż da się je wysiewać latem wraz z cieczą zawierającą składniki pokarmowe i substancje utrwalające (klejące) powierzchnię gruntu. Taką substancją jest m.in. osad płynny z biologicznego oczyszczania ścieków, który zastosowano po raz pierwszy na skarpie odkrywki Kopalni Węgla Brunatnego „Bełchatów". Metodę naziemnego hydrosiewu nasion z osadami ściekowymi wykorzystano szeroko do biologicznego utrwalania powierzchni składowisk odpadów paleniskowych i skarp. Lotniczy hydrosiew nasion z osadem ściekowym odbył się po raz pierwszy na zwałowisku zewnętrznym Kopalni Węgla Brunatnego „Bełchatów".
Zadrzewienie i zakrzewienie zwałowisk nadkładu kopalni odkrywkowych jest dominującym sposobem ich rekultywacji biologicznej. Ten kierunek rekultywacji propaguje głównie szkoła prof. Tadeusza Skawiny w Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie oraz w Instytucie Podstaw Inżynierii Środowiska PAN w Zabrzu. Zaletą leśnego sposobu rekultywacji jest możliwość uprawy drzew i krzewów na gruncie bezglebowym, czyli bez konieczności ukształtowania warstwy próchnicznej. Ponadto zmienność przestrzenna jakości gruntu, która jest nieunikniona na dużych zwałowiskach nadkładu różnorodnych mas ziemnych, sprawia mniej trudności w leśnym niż rolniczym użytkowaniu. Istnieje możliwość doboru odpowiednich gatunków drzew i krzewów do jakości gruntu. Nie dotyczy to oczywiście gruntów toksycznych, które powinny być wcześniej zneutralizowane lub pokryte glebotwórczą warstwą gruntu nietoksycznego. Drzewa i krzewy sadzone na gruntach bezglebowych należy zasilać nawozami mineralnymi, w tym głównie nawozem azotowym. Bardzo skuteczne jest punktowe nawożenie organiczne bezpośrednio pod każde drzewo, ale sposób ten może być stosowany tylko na małą skalę.
Rolniczej rekultywacji gruntów na płaskich powierzchniach zwałowisk można dokonać bez odtwarzania lub z odtwarzaniem próchnicznej warstwy gleby. O celowości rolniczej rekultywacji decydują głównie:
glebotwórcze właściwości gruntu rekultywowanego,
zapotrzebowanie na grunty rolne (w tym ogrody działkowe) w rejonie.
Grunty średniozwięzłe o korzystnym składzie chemicznym, zwłaszcza zasobne w CaC03, a niekiedy zawierające także pewne ilości substancji organicznej, są podatne na glebotwórcze procesy. Można na nich uprawiać rośliny rolnicze, stosując intensywne nawożenie mineralne bez ukształtowania warstwy próchnicznej. Taki sposób rolniczej rekultywacji gruntów zwałowiskowych dominuje w Konińskim Zagłębiu Węglowym. Dużą plonotwórczą efektywność daje rekultywacja gruntu ukształtowanego z glin poznańskich szarych, które są bogate w CaC03 i mają pewne ilości substancji organicznej. Grunty uformowane z glin poznańskich brązowych są znacznie gorszym tworzywem glebotwórczym. Wyjątkowo korzystne warunki do wegetacji roślin tworzy grunt zwałowiska zewnętrznego Kopalni Siarki w Machowie, ukształtowany z trzeciorzędowych iłów krakowieckich. Obfitują one w CaC03 i zawierają znaczne ilości substancji organicznej. Głównym procesem glebotwórczym na zwałowisku iłów krakowieckich jest utlenianie. Wszystkie składniki niezbędne do życia roślin i mikroorganizmów tlenowych zawiera grunt rekultywowany. Tylko ilość azotu jest niedostateczna dla roślin niemotylkowatych. Intensywny wzrost lucerny w pierwszej fazie rekultywacji gruntu stanowi najlepszy wskaźnik glebotwórczej jakości gruntu ukształtowanego z iłów krakowieckich. Zasady kształtowania poziomu próchnicznego przez przemieszczanie go z innych miejsc lub stosowanie próchniczotwórczych nawozów organicznych omówiono w w wykładzie 6 i 7.
Odpady górnictwa węgla kamiennego różnią się od odpadów górnictwa odkrywkowego:
skalistością o różnej podatności na wietrzenie,
zawartością zwęglonej substancji organicznej,
znaczną zawartością soli rozpuszczalnych,
dość dużą zawartością siarczków żelaza (głównie pirytu).
Łatwo wietrzejące odpady iłowe i mułowe przekształcają się (na zwałowiskach) w grunty podatne na glebotwórcze procesy. Odpady zawierające duże ilości soli rozpuszczalnych i siarczków ograniczająca znacznym stopniu możliwości ukształtowania szaty roślinnej i rozwój procesu glebotwórczego. Selektywne składowanie, zapewniające ukształtowanie warstwy pokrywowej z odpadów glebotwórczo użytecznych, byłoby bardzo pożyteczne dla rekultywacji biologicznej. Jest ono jednak nieosiągalne na zwałowiskach centralnych, które przyjmują różnorodne odpady z wielu kopalń, natomiast możliwe wtedy, gdy składowanie odpadów w nieckach osiadania kojarzy się z rekultywacją gruntu. Syntezę wyników badań przydatności odpadów górnictwa węglowego do rekultywacj i opublikował a. Strzyscz [ 1989].
Za podstawę oceny przydatności odpadów górniczych do rekultywacji przyjął on kryteria:
technologiczne;
petrograficzne, minerologiczne i chemiczne;
fitochemiczne;
przemian odpadów na zwałowisku.
Tereny składowania odpadów górnictwa węgla kamiennego, skupione głównie w Górnośląskim Zagłębiu Węglowym, powinny być pokrywane sukcesywnie szatą roślinną, której głównym zadaniem jest poprawa warunków ekologicznych i krajobrazowych. Ukształtowanie szaty roślinnej na zwałowiskach odpadów górniczych ocenia się zwykle jako spełnienie wymogu rekultywacji gruntu.
Niezależnie od fizycznych i chemicznych właściwości gruntu, na składowisku odpadów górniczych o ukształtowanej powierzchni można stworzyć szatę roślinną ponosząc stosunkowo nieduże nakłady środków technicznych i finansowych. Najszybciej można to osiągnąć przez odpowiednie użyźnienie gruntu osadem z biologicznego oczyszczania ścieków lub kompostem. Górnośląskie Zagłębie Węglowe ma bardzo duże zasoby osadów ściekowych, które wymagają tak samo zagospodarowania, jak zwałowiska odpadów rekultywacji. Skojarzenie przyrodniczego użytkowania osadów ściekowych z biologiczną(przyrodniczą) rekultywacją gruntów pogórniczych spełnia wymóg racjonalnej gospodarki zasobami naturalnymi i antropogenicznymi.
Aglomeracje przemysłowe wytwarzają(w tym przyjmują z zewnątrz) olbrzymie zasoby nie spożytkowanej masy roślinnej, która może być przetworzona na kompost. bardzo użyteczny w rekultywacji terenów pogórniczych oraz innych nieużytków poprzemysłowych. Łączeniem przyrodniczego użytkowania masy roślinnej i osadów,~ biologiczną rekultywacją gruntów powinny być zainteresowane nie tylko pewne przedsiębiorstwa, ale także administracje samorządowa i państwowa, które powinny inspirować i wspomagać ten proces.
Rrekultywacja gruntów w górnictwie siarki
Specyfiką górnictwa siarkowego jest kwasowa degradacja środowiska, która występuje głównie na terenach otworowej eksploatacji. Rozproszona na powierzchni ziemi siarka rodzima utlenia się szybko i razem z wodą daje kwas siarkowy o stężeniu niszczącym rośliny, zwierzęta i mikroorganizmy glebowe. Nawet bakterie utleniające siarkę zachowują się tylko w postaci przetrwalnikowej. Degradacja środowiska jest więc totalna, ale odwracalna pod warunkiem zlikwidowania kwasowości i kwasotwórczego potencjału w postaci nie utlenionej jeszcze siarki rodzimej oraz siarczków. Kwasową degradację gleby można usunąć przez odpowiednie wapnowanie. Rekultywacyjną dawkę CaCO ustala się na podstawie oznaczenia kwasowości hydrolitycznej oraz zawartości siarki rodzimej (nieutlenionej).
Dokładne wymieszanie wapna z ziemią zanieczyszczoną przez siarkę przywraca jej aktywność biologiczną, z wegetacją roślin włącznie. Przy użyciu mniejszej dawki wapna od potencjału kwasowego siarki ziemia zostanie ponownie zakwaszona i utraci aktywnoś biologiczną. Wtedy należy zastosować wapnowanie uzupełniające na całej powierzchni lub tylko w miejscach większego stężenia siarki. Płaty o dużej (bardzo dużej) koncentracj siarki rodzimej występują na polach górniczych, w otoczeniu placów składowania i dróg; transportu siarki rodzimej.
Otworowa eksploatacja siarki powoduje też osiadanie gruntu, deformując rzźbę tereu warunki wodne. Zależnie od poziomu wód gruntowych i głębokości niecek osiada następuje zawodnienie powierzchni ziemi. Rekultywacja tak zdegradowanego gruntu wyr ga najpierw ukształtowania warunków wodnych, a potem odkwaszenia. Najlepszym sposobem jest zapełnienie niecek osiadania ziemią mineralną, a następnie ukształtowanie na r gleby i szaty roślinnej. Na terenie Kopalni Siarki Jeziórko zastosowano do tego celu drobi ziarnisty odpad z flotacj i rudy siarkowej, zwany wapnem poflotacyjnym. W ten sposób ukształtowano grunt płaski o potencjalnie dużej wartości glebotwórczej, zupełnie różnej od występujących tu gleb piaskowych. Wapno poflotacyjne zawiera pozostałości siarki rodzimej, która nie powoduje zakwaszenia gruntu obfitującego w CaCO3, ale bakterie utleniają siarkę zużywają dostępny tlen i składniki pokarmowe, w tym głównie azot i fosfor. Dostęp tlenu atmosferycznego jest bardzo ograniczony wskutek nadmiernego uwodnienia grunt peptyzacji koloidów w warunkach beztlenowych. Ciemnoniebieska barwa gruntu powstałego z wapna poflotacyjnego (w warunkach nadmiernego uwodnienia) świadczy o zupełnym braku tlenu dla mikroorganizmów tlenowych i korzeni roślin. Natlenienie wapna poflotacyjnego postępuje od powierzchni w głąb gruntu w miarę jego przesychania. Wprowadzenie odpowiednio dużej ilości składników pokarmowych (dla mikroorganizmów utleniających siarkę i roślin) tworzy warunki do życia roślin o płytkim systemie korzeniowym. Spośród nawozi mineralnych największe zapotrzebowanie jest na azot, który zużywają przede wszystkim bakterie utleniające siarkę. Nawożenie mineralne jest tu bardzo efektywne i nie powoduje I żadnym przypadku negatywnych skutków.
Nawożenie organiczne jest bardzo korzystne pod warunkiem, że zostanie zastosowane powierzchniowo lub będzie wymieszane z podłożem do głębokości 10 cm Wprowadzenie nawozu organicznego na większą głębokość spowoduje wzrost zużycia tlenu, pogarszając warunki tlenowe dla roślin.
Spośród nawozów organicznych najlepiej działają osady z biologicznego oczyszczania ścieków i komposty. Obornik powinien być dobrze rozłożony. Wprowadzaj na powierzchnię wymienione nawozy organiczne dostarcza się niezbędne składniki pokarmowe dla roślin i mikroorganizmów oraz osłania grunt przed destrukcyjnym działaniem wiatru, słońca. Z wymienionych powodów nie należy sadzić drzew i krzewów na grunta ukształtowanych z wapna poflotacyjnego w zawodnionych nieckach osiadania. Ostry niedobór azotu w gruncie ukształtowanym z wapna poflotacyjnego potwierdzono w doświadcz niu lizymetrycznym [Siuta i in. 1996]. Preferuje on rośliny motylkowe (z lucerną siewną czele) pobierające azot z atmosfery.
Kształtowanie gleby i szaty roślinnej na gruntach wyrobiskowych
Systemem odkrywkowym eksploatuje się niemal wszystkie rodzaje utworów geologicznych występujących od powierzchni ziemi do kilkuset metrów głębokości. Małoobszarową eksploatację prowadzi powszechnie od stuleci po dzisiaj, bez niezbędnego uporządkowania gruntu zdewastowanego. Tylko bardzo duże kopalnie odkrywkowe spełniają od niedawna wymogi ochrony i rekultywacji gruntów. Wielowiekowa, powszechna, a nieuporządkowana eksploatacja kopalin różnych pod względem spoistości, chemizmu i glebotwórczych właściwości dała nam w spuściźnie wielorakie dziury w ziemi, zwane wyrobiskami. Zapełnienie wyrobisk pokopalnianych, usunięcie z ich stoczenia zwałów ziemi i odtworzenie gleby na całym terenie zdewastowanym byłoby dobrym sposobem rekultywacji gruntu. Możliwości pozyskania ziemi są jednak małe, a koszty zapełnienia wyrobisk bardzo duże. Ich zapełnianie jest celowe jedynie wtedy, gdy:
usuwane masy ziemi można przeznaczyć do rekultywacj i gruntu,
składowanie odpadów (w tym górniczych) da się skojarzyć z rekultywacją gruntów wyrobiskowych,
przeznaczenie gruntu uzasadnia duże koszty rekultywacji.
Na znacznej części wyrobisk składuje się odpady, ale takiego sposobu zapełniania wyrobisk nie można utożsamiać z rekultywacją gruntu. Dopiero po zakończeniu eksploatacji składowiska odpadów można jego grunt poddać rekultywacji oraz zagospodarowaniu docelowemu.
Wyrobiska suchogruntowe i zawodnione okresowo (lub tylko fragmentarycznie) przeznacza się do zagospodarowania roślinnego, a zawodnione trwale - do rekultywacji wodnej. W obrębie wyrobisk suchych można pozostawić ,.oczka" (stawy) wodne, a wśród powierzchni zawodnionych -- ostańce gruntu rodzimego lub usypowego (o przemieszczanej ziemi). Ukształtowanie gruntu i jego powierzchni jest podstawowym zadaniem rekultywacji technicznej. W rekultywacji glebowo-roślinnej (suchogruntowej) należy zapewnić grawitacyjny odpływ nadmiaru wód opadowych. Wartość glebotwórcza gruntu po wyeksploatowaniu kopaliny może być zbliżona do jakości tego gruntu, z którego powstała gleba zniszczona w toku eksploatacji. Może być też niniejsza lub większa. Zniszczenie gleby suchej wskutek eksploatacji piasku (żwiru) oraz odsłonięcie warstwy zasobniejszej w składniki pokarmowe i wodę tworzy warunki do ukształtowania gleby znacznie lepszej. Płytkie zaleganie poziomu wody w takim gruncie sprzyja intensywnej wegetacji wielu gatunków roślin, zwłaszcza wierzby i topoli. Można je posadzić bez konieczności odtwarzania warstwy próchnicznej oraz nawożenia organicznego. Wystarczy zastosować niewielkie nawożenie mineralne w pierwszym roku wegetacji. Zasoby składników pokarmowych zawarte w wodzie gruntowej zaspokoją potrzeby tych roślin.
Bezglebowe grunty lessowe (lessowate) mają bardzo korzystne właściwości wodne oraz są zasobne w składniki pokarmowe (oprócz azotu). Można uprawiać na nich większość gatunków roślin przy odpowiednio dużym nawożeniu organicznym i mineralnym. Rośliny motylkowate są tu najbardziej efektywne ze względu na możliwości pobierania azotu z atmosfery.
Gliny oraz iły, zwłaszcza nie zawierające węglanu wapnia, sąmniej odpowiednie do uprawy roślin bez ukształtowania warstwy próchnicznej lub intensywnego użyźnienia organicznego (osadem ściekowym, kompostem, obornikiem). Najkorzystniejsze jest tu nałożenie 25-30 cm warstwy ziemi próchnicznej. Mniej efektywne, ale także skuteczne, jest zastosowaniwe; osadu ściekowego lub kompostu w dawce co najmniej 100 t s.m./ha.
W glebowo-roślinnej rekultywacji gruntów wyrobiskowych znaczny problem ukształtowanie spadków i zazielenienie skarp. Dotyczy to głównie skalistych i piaskowych (żwirowych) wyrobisk głębokich.
Spadki skarp w utworach nieskalistych należy złagodzić do stanu umożliwiając zadarnienie i zakrzewienie, przy jednoczesnym zastosowaniu odpowiednio dużego nawożenia organicznego. Nie należy nakładać na nie próchnicznej warstwy ziemi, ponieważ zwykle takiej potrzeby, tym bardziej że opady atmosferyczne będą ją rozmywały.
Skarpy wyrobisk skalistych należy pozostawić bez profilowania, jeżeli nie stanowią zagrożenia dla ludzi i zwierząt. Trzeba jednak dążyć do posadzenia krzewów (lub drzew) niskich w miejscach (wnękach, szczelinach) pozwalających na zapełnienie ziemią urodzajną
Rekultywacja gruntów zawodnionych
W trakcie działalności górniczej powstają:
wyrobiska odkrywkowe zawodnione,
niecki osiadania zawodnione,
grunty podtopione i zawodnione w otoczeniu nadpoziomowych składowisk odpadów,
Wyrobiska odkrywkowe i niecki osiadania mogą być zawodnione częściowo lub całkowicie, głębokie i płytkie, o stałym albo zmiennym poziomie lustra wody. Od: eksploatowane poniżej lustra wód podziemnych mają stały poziom wody. To samo d i niecek osiadania na terenach płytkiego zalegania wód podziemnych.
Stale zawodnione wyrobiska i niecki osiadania kwalifikują się w całości lub części rekultywacji wodnej. Zapełnianie ich na rzecz rekultywacji jest zasadne tylko wtedy,
istnieje potrzeba składowania odpadów górniczych,
zasoby lub jakość wody (np. w górnictwie otworowym siarki) nie tworzą warunków do rekultywacji wodnej,
występuje zapotrzebowanie na dany grunt.
Wodna rekultywacja wyrobisk bardzo głębokich może wymagać ich spłycania w celu:
uniemożliwienia kontaktu wód podziemnych zasolonych z wodą słodką w zbiorniki odkrywce Kopalni Siarki Machów),
• dostosowania głębokości wody do projektowanych funkcji zbiornika.
Wodną rekultywację projektuje się i realizuje zgodnie z zasadami budownictwa wo stosownie do prawa budowlanego. Grunty podtopione i zawodnione w otoczeniu nad nowych składowisk odpadów, zwłaszcza składowanych na mokro (np. Żelazny), należy osuszać zgodnie z zasadami melioracji odwadniających lub przekształcać grunty suche przez zasypanie niecek bezodpływowych. Odwadnianie jest niezbędne nie tylko do uregulowania warunków powietrzne-wodnych, lecz także do usunięcia soli nagromadzonej, co przeciwdziała postępującemu zasoleniu.
3