CC BY
32
УДК 622.33.016-047.43
Н.М. Качурин, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, (4872) 35-20-41, ecology@tsu.tula.ru (Россия, Тула, ТулГУ), В.П. Сафронов, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-20-41 (Россия, Тула, ТулГУ),
А.Б. Жабин д-р техн. наук, проф., (4872)-33-31-55, zhabin.tula@mail.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
Е.А. Машинцов, д-р техн. наук (Россия, Тула, ТулГУ)
ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПОДЗЕМНОЙ ГЕОТЕХНОЛОГИИ ДОБЫЧИ УГЛЯ
Выполнен анализ информации по утилизации отходов в Подмосковном, Донецком и Кузнецком угольных бассейнах. Приведены результаты эколого-экономических исследований эффективности добычи коксующихся угля на закрываемых шахтах Про-копьевского района Кузбасса.
Ключевые слова: отходы, террикон, эколого-экономическая эффективность, математическая модель, оптимизация.
Результаты анализа существующей базы данных государственной статистической отчетности по Кемеровской и Тульской областям показали, что, во-первых, проблема утилизации отходов - это экологическая задача регионального масштаба и, во-вторых, промышленные отходы характеризуются разнообразием состава и свойств, широким спектром направлений использования. Информационная база данных по имеющимся и вновь образующимся отходам позволяет установить стоимость вторичного сырья, требования к хранению и вторичной переработке для оптимального решения проблем рационального природопользования. На территориях горнодобывающих регионов России имеются отходы, которые вследствие повышенной токсичности или ряда других причин не нашли широкого применения ни в одной отрасли народного хозяйства, в том числе и в производстве строительных материалов [1, 2].
К числу малоиспользуемых отходов относятся: феррованадиевые шламы, содержащие агрессивные кислоты (HF, HCl, H2SO4, H3PO4), отходы угледобычи, буроугольные золы, шлам газоочистки доменных печей и другие отходы. Необходимость наращивания объемов добычи угля в Кузбассе приводит к образованию и складированию новых объемов твердых минеральных отходов. В результате перемещения и складирования отходов происходит формирование техногенных массивов, негативные последствия которого характеризуются трансформацией ландшафтов, ухудшением состояния атмосферы, сокращением площадей земель, пригодных для сельскохозяйственного пользования, загрязнением почвенного покро-
ва, развитием эрозионных процессов, изменением гидрологического и гидрогеологического режима района.
На территории Подмосковного угольного бассейна, где добыча угля сокращена до 300 тыс. тонн в год, загрязнению подвергаются все типы ландшафтов. В настоящее время выделение чисто «угольного» загрязнения затруднительно потому, что разрабатываемые месторождения находятся в промышленных районах, где происходит интенсивное дополнительное загрязнение за счёт работы других промышленных и энергетических предприятий. В то же время особое внимание следует обратить на проблему отходов, поскольку даже приближенные расчёты указывают на то, что за 150-летнюю историю разработки углей бассейна в Тульской области было добыто не менее 1271,44 млн т угля. Таким образом, на дневной поверхности скапливалось в виде различных отходов производства более 317,85 млн т горных пород (25 % от объёма добычи товарной продукции). В тех случаях, когда породы складируются в терриконах, с течением времени за счёт интенсивного окисления происходит вынос ряда химических элементов, в том числе и токсичных (рисунок). В принципе, происходит кучное сернокислотное выщелачивание.
Растворы серной кислоты образуются в результате окисления минералов, содержащих серу, под воздействием атмосферных осадков. В зависимости от «возраста» терриконов степень выноса элементов из его тела может быть самой разнообразной. В результате того, что на подавляющем большинстве шахт Восточного Донбасса выработанное техногенное пространство затоплено или происходит затопление его верхних горизонтов, отмечено повышенное количество провалов, образовавшихся над ранее ликвидированными наклонными и вертикальными стволами. Как правило, зафиксированные на выходах пластов, провалы земной поверхности приурочены к подготовительным выработкам и краевым частям целиков угля, ориентированным по падению пласта, по границе выработанного пространства. Выполненное литохимическое опробование и лабораторный анализ почв и грунтов вокруг пяти породных отвалов ликвидируемого шахтоуправления «Мирное» в Ростовской области на площади 216,0 га свидетельствуют о том, что по двум объектам из пяти категория загрязнения почв - опасная [4].
Один из двух опасных объектов - породный отвал № 5 бис шахты № 47 - находится в жилом секторе города Шахты. Например, на территории Шахтинского угольного района Ростовской области в течение III квартала 2008 г. было ликвидировано девять провалов земной поверхности общим объемом 5493 м , в том числе дефекты изоляции вентиляционного и технологического каналов, чем обеспечена безопасность жизнедеятельности местного населения.
Техногенная пустыня в зоне действия породного отвала на территории Узловского района Тульской области и озеро, образованное поверхностными водами
По результатам длительных наблюдений установлено, что в большие и малые реки Ростовской области вместе с техногенными водами ликвидируемых шахт поступило 137000 тонн загрязняющих веществ и около 500 тонн общего железа. Основными шахтами-загрязнителями являются шахта «Глубокая», ШУ «Мирное», им. Красина, им. Кирова, №15 ШУ «Несветаевское», «Комиссаровская», ШУ «Бургустинское», «Восточная», ШУ «Краснодонецкое», «Тацинская». Результаты газомониторинга свидетельствуют об устойчивой взаимосвязи концентрации выходящих шахтных газов и времени года. Проникновение вредных газов в подвалы и погреба жилого сектора регистрируется в основном с наступлением теплого периода года и при пониженном атмосферном давлении. Газовыделения с опасными концентрациями отмечаются и при высоком атмосферном давлении.
Основной целью государственной политики в области развития угольной промышленности России на период до 2020 г. является удовлетворение спроса на российский уголь на внутреннем и внешнем рынках. В этой связи важнейшими задачами угольной промышленности становятся сохранение и наращивание производственного и экономического потенциала отрасли, создание гибкой и эффективной системы организации про-
изводства угольной продукции в условиях рыночных отношений. Наращивание потенциала угольной отрасли должно обеспечить снижение риска в энергообеспечении экономики России и стабилизацию топливно-энергетического баланса [5, 6].
Угольная промышленность России среди других отраслей топливно-энергетического комплекса (ТЭК) имеет наиболее обеспеченную сырьевую базу. Общие балансовые запасы угля в России оцениваются в 200 млрд т., из которых 105,4 млрд т по состоянию на 01.01.2000 г. детально разведаны и составляют сырьевую базу отрасли (запасы категории A+B+C1 действующих, строящихся угледобывающих предприятий и разведанных резервных участков, подготовленных для строительства новых шахт, разрезов и прирезки к полям действующих предприятий). Промышленные запасы энергетических углей на действующих предприятиях оцениваются в 14,6 млрд т., из которых 44 % составляют каменные и 56 % - бурые угли. Промышленные запасы углей для коксования оцениваются в 3,7 млрд т., из которых более половины составляют угли ценных марок. При этом свыше 80 % (до 3 млрд т) промышленных запасов углей для коксования сосредоточено в Кузнецком бассейне.
Основной объём (до 80 %) балансовых запасов приходится на районы Западной и Восточной Сибири. Для открытого способа добычи пригодны почти 60 % этих запасов. Наиболее благоприятные для извлечения высококачественные каменные угли сосредоточены в основном в Кузнецком бассейне. По запасам углей, пригодных для разработки открытым способом, Кузбасс занимает второе место после Канско-Ачинского бассейна, по степени их промышленного освоения - первое. Кузнецкие угли отличаются высокими потребительскими свойствами и соответствуют мировым стандартам качества.
В соответствии с оптимальной структурой топливно-энергетического баланса, принятого в Энергетической стратегии России, добыча угля к 2020 г. должна достичь объемов 340 млн т при обеспечении поставок на экспорт до 25 млн т. Удовлетворение потребности экономики страны в угольном топливе будет связано, прежде всего, с развитием добычи угля в бассейнах федерального значения - Кузнецком и Канско-Ачинском. Предусматривается также развитие добычи на месторождениях Восточной Сибири (Мугунское, Тугнуйское) и Дальнего Востока (Ургальское, Огод-жийское, Эльгинское). Добычу угля в Печорском и Донецком бассейнах, имеющих межрегиональное значение, но характеризующихся высоким уровнем производственных затрат на добычу, предусматривается поддерживать на достигнутом уровне, учитывая высокую потребность в печорских коксующихся и энергетических углей для Северного и Северозападного районов.
Комплексную оценку эколого-экономической эффективности доработки оставшихся запасов коксующихся углей на закрываемых шахтах це-
лесообразно осуществлять на основе интегрированных относительных показателей ценности дорабатываемых запасов и антропогенного воздействия на окружающую среду закрываемых шахт. Осуществлять оценку эко-лого-экономической эффективности доработки оставшихся запасов углей на закрываемых шахтах с учетом абсолютных значений не даст наилучшего решения из-за многообразия переменных. Эколого-экономическая оценка, влияющая на результативность доработки оставшихся запасов коксующихся углей закрываемых шахт и с учетом ввода новых шахт Кузбасса в размере до 2,4 млн т осуществляется на основе разности ценности дорабатываемых запасов углей и экологических последствий, создаваемых в процессе закрытия шахт. Определяющим уровнем целесообразности доработки оставшихся запасов выступает, по мнению авторов, относительный интегральный эколого-экономический критерий В.Г. Гридина [3, 7]. Это позволило сформулировать задачу оптимизации в следующем виде:
max, (1)
ЗЦП-(Э+Н) Э(1 + ен-1)<
кэ > 0, Кэ ОХр +КВ.С +К3.р +Ко п.) > О, ЗЦП > Э+Н, (3)
где Т, - критерий В.Г. Гридина; t - период прогноза, 1, 2, 3, .... ,п, год; 3 -оставшиеся запасы на шахтах, т; Ц - цена единицы продукции их освоения, руб./т; Э - суммарные затраты, необходимые для их доработки, руб.; г\ -удельный коэффициент качества коксующихся углей в цене продукции; (1 + ен - iУ - коэффициент дисконтирования; ен - нормативная процентная ставка; i - уровень инфляции, %; Н - налоги на прибыль, руб.; j - индекс шахты.
Практическая апробация усовершенствованной методики оценки воздействия на окружающую среду при подземной добычи коксующихся углей наглядно свидетельствует о повышении эффективности прогнозных оценок. Это достигается за счет широкого применения вычислительных экспериментов и результатов имитационного моделирования экологических последствий с использованием адекватных закономерностей формирования пылегазовых выбросов, сбросов и нарушения земель. Усиление техногенного воздействия в Кузнецком бассейне связано как с увеличением объемов добычи, так и с наибольшей концентрацией угледобывающих предприятий.
Усовершенствованная методика оценки экологической безопасности и эффективности рационального освоения месторождений при подземной добыче угля позволила обосновать целесообразность доработки оставшихся запасов коксующихся углей по 4 шахтам из 18 предприятий ООО «Прокопьевскуголь». С учетом выявленных подходов сформирована
производственная программа ООО «Прокопьевскуголь», которая позволяет выйти к 2015 году на устойчивую работу предприятий с обеспечением стабильной добычи угля при интенсификации природоохранной деятельности.
Разработанные рекомендации позволили осуществить поэтапную переориентацию производственных процессов предприятий компании на соблюдение условий ограничений по основным экологическим требованиям. При этом достигается снижение нагрузки на окружающую природную среду: выбросы загрязняющих веществ в атмосферу - на 21 %, с достижением к 2015 году нормативных требований по основным ингридиентам; сбросы в водоемы - на 17 %; площади отторгаемых земель - на 4 %; потери полезных компонентов - на 18 %.
На практике доказана эффективность системы комплексного геоэкологического мониторинга на территориях горных отводов ликвидируемых шахт, включающая подсистемы гидрогеологического мониторинга; гидрологического мониторинга; газового мониторинга; геодинамического мониторинга; мониторинга земельных ресурсов; мониторинга технических работ. Доказано, что оценка эффективности инвестиционных проектов должна базироваться на достоверном прогнозе динамики основных экономических показателей природопользования, обеспечивающего функционирование предприятия. При этом прогнозные значения этих показателей должны быть согласованы с основной методикой расчета эффективности реальных инвестиций.
Список литературы
1. Гридин В.Г., Ефимов В.И., Агеева И.В. Анализ некоторых эколо-го-экономических показателей развития угольной промышленности Кузбасса в 2005 г. и задачи на 2006 г. // Горный информационно-аналитический бюллетень. Отдельный выпуск. Экологические проблемы Кузбасса. М.: МГГУ, 2006. С. 24-30.
2. Гридин В.Г., Ефимов В.И., Агеева И.В. Наиболее острые экологические проблемы Кемеровской области и мероприятия по их решению// Горный информационно-аналитический бюллетень. Отдельный выпуск. Экологические проблемы Кузбасса. М.: МГГУ, 2006. С. 35-39.
3. Ефимов В.И., Гридин В.Г., Агеева И.В. Эколого-экономические перспективы развития добычи угля в Кузнецком бассейне// Геотехнологии и защита окружающей среды. Тула: ТулГУ. 2006. №2. С. 39 - 46.
4. Абрамкин Н.И., Агеева И.В. Математические модели разработки угольных пластов на малых глубинах//Горный информационно-аналитический бюллетень. М.: МГГУ, 2009. С. 22-28.
5. Качурин Н.М., Комиссаров М.С., Белая Л.А., Агеева И.В. Комплексная оценка состояния окружающей среды промышленно развитого
угледобывающего региона// Изв. ТулГУ. Естественные науки. Сер: Науки о Земле, Тула. 2009. Вып. 5. С. 226 - 234.
6. Концептуальные положения повышения эффективности геоэкологического мониторинга промышленных регионов/ Э.М. Соколов [и др.]// Безопасность жизнедеятельности. 2010. Вып. 5. С. 28 - 32.
7. Качурин Н.М., Сафронов В.П., Копылов А.Б., Машинцов Е.А. Эколого-экономическая оценка эффективности подземной геотехнологии добычи угля/Изв. ТулГУ. Сер. Науки о Земле, Тула. 2011. Вып. 2. С. 14-20.
N.M. Kachurin, V.P. Safronov, A.B. Gabin, E.A. Mashintcev
ENVIRONMENTAL PRINCIPALS OF EVALUATING EFFICIENCY OF COAL PRODUCTION BY UNDERGROUND GEOTECHNOLOGY
Information analysis by wastes utilization in Moscow, Donets and Kuznetsk Coal Basins were realized. Results of environmental-economical researches on evaluating coking coal production efficiency at liquidated mines of Prokopyevsk District in Kuznetsk Basin are discussed.
Key words: wastes, waste bank, environmental-economical efficiency, mathematical model, optimization.
Получено 17.02.2012
УДК 622.33.016(470.312)
Н.М. Качурин, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, (4872) 35-20-41, ecology@tsu.tula.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
A.Б. Жабин д-р техн. наук, проф., (4872) 33-31-55, zhabin.tula@mail.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
B.П. Сафронов, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-20-41 (Россия, Тула, ТулГУ),
Е.А. Машинцов, д-р техн. наук (Россия, Тула, ТулГУ)
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ГЕОТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ЭНЕРГИИ ИЗ УГЛЕЙ ПОДМОСКОВНОГО БАССЕЙНА
Приведены результаты обобщения исследований по подземной газификации углей Подмосковного бассейна. Предложены экологически рациональные и безопасные технологические схемы получения электроэнергии и проведена оценка запасов угля на перспективу.
Ключевые слова: подземная газификация, геотехнология, экология, безопасность, электроэнергия.
Подмосковный угольный бассейн расположен на территории Новгородской, Калининской, Смоленской, Калужской, Тульской и Рязанской областей РФ. Общая площадь развития угленосных отложений до глубины 200 м...120 тыс. км . Первые сведения о наличии залежей угля известны с 1722 г., систематическая добыча осуществлялась с 1855 г. Общие геологи-
