CC BY
44
манометр с вентилем на гидростатическое давление до 16 МПа.
В целях гарантированного обеспечения герметичности перемычек и окружающего их массива горных пород, что обеспечит надежную изоляцию горных работ шахты им. Ярославского после ее ликвидации от шахты «Егозовская», предусматривается химическое упрочнение горных пород и собственно тела перемычек с использованием технологии, материалов и оборудования фирмы «Карботех» на основе полиуретановых смол Беве-
дол-Беведан.
Конструкция перемычки приведена на рис. 3.
Нагнетание вяжущего раствора предлагается по разработанной технологии оперативной обработки горного массива полиуретановыми смолами.
В результате исследований установлено, что существующие на шахте изолирующие перемычки по конструкции и параметрам не соответствуют требованиям эффективного водо-, газо регулирования между шах-
тами им. Ярославского и «Егозовская». Необходимо выполнение химического упрочнения законтурного пространства и материалов перемычек полиуретановыми смолами по предлагаемой технологии.
Для проведения работ нами разработана необходимая проектная документация. Результаты работы будут изложены в последующих публикациях.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -------------------------------------------------------------------------------------------
Красюк Николай Николаевич - профессор, доктор технических наук, Московский государственный горный университет. Максименко Юрий Михайлович- доцент, кандидат технических наук, Московский государственный горный университет. Решетов Сергей Ефимович- кандидат технических наук, ОАО «УК «Кузбассуголь».
Занкин Николай Васильевич - кандидат технических наук, ОАО «УК «Кузбассуголь».
© Ю.М. Левкин, 2003
УАК 622э28:693.625.002.5
Ю.М. Левкин
ВТОРИЧНАЯ ЭКСПЛУАТАЦИЯ ПОАЗЕМНЫХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК УГОЛЬНЫХ ШАХТ
Іаз'витие промышленного производства уменьшает запасы нефти, газа и предопределяет увеличение добычи угля, развитие атомной энергетики, использование в качестве топлива горючие отходы городов и населенных пунктов. Так в США, стране с теплым климатом, объем добычи угля в 1960 г. составлял 370 млн т., в 1995 г. - 1 млрд т.. В Южно - Африканской Республике угледобыча возросла со 140 млн т. в 1980 г. до 230 млн т. в 1995 г. После обогащения более 70% угля ЮАР используется внутри страны на энергетические нужды, а также для производства жидкого топлива и бытового газа. Китайская Народная Республика с 1980 по 1995 гг. увеличила добычу угля с 620,1 млн т. до 1298 млн т. Работающие угольные предприятия стран ЕС
получают субсидии от государства. Так, например, в 1993 г. на 1 т угля было выделено субсидий: в Германии - 69,5 экю, в Португалии
- 29,1 экю, во Франции - 21,5 экю. Страны ЕС, закрывая угольные предприятия, принимают все необходимые меры социальной защиты бывших горняков. [1].
В России, одной из самых больших по площади и холодных стран планеты, в 1960 г. было добыто угля: 373 млн т, в 1985 г. более 1 млрд т, в 1995 году угледобыча составила 145,8 млн. т. [1], а в 2001 г. более 270 млн т [2]. Уволенные горняки социально не защищены, а работающие не всегда получают своевременно зарплату.
Большие объемы добычи угля оставляют миллионы квадратных метров выработок не участвующих в добычном цикле. Лишь неболь-
шая часть этих выработок эксплуатируется вторично под склады, выращивания сельхозпродукции и другие направления. В тоже самое время существует проблема захоронения отходов жизнедеятельности человека, в том числе и нетоксичных. Объем отходов производства и всевозможной деятельности человека в мире вырос в настоящее время по сравнению с 1970 г. в 2,7 раза. Ежегодно в атмосферу выбрасывается 200 млн т оксида углерода, 150 млн т диоксида серы, 50 млн т. оксидов азота (в основном N02), более 50 млн т различных углеводородов и 20 млрд т СО2.. В России суммарное количество выбросов вредных веществ в атмосферу от промышленных предприятий в 1991 г. составило около 32 млн т.. Из них, диоксида серы 9,2 млн т, оксида азота около 3 млн т, оксида углерода 7,6 млн т, углеводородов 3,5 млн т, летучих органических соединений 1,7 млн т., твердых веществ 6,4 млн т. В выбросах содержится около 2% высокотоксичных вредных веществ: фтористые соединения, сероуглерод, сероводород и другие [3].
Основную массу отходов образуют города. Источником твердых бытовых отходов (ТБО) являются жилые дома, территории общего пользования, общественные, административные и другие учреждения, промышленные предприятия. В среднем на одного европейского жителя в городах, приходится 400 кг, а в сельской местности -170 кг бытового мусора в год [4]. Около 80% всех твердых отходов складируется на свалках и полигонах, в виде насыпных холмов или в карьерах и оврагах. что приводит к загрязнению грунтовых вод фильтратом, а окружающей территории
- легкими фракциями отходов.
Современные свалки (полигоны) должны обеспечивать полную санитарно-эпидемиологи-ческую безопасность населения, защиту от загрязнений почвы, подземных вод и атмосферы. Однако, в почве разлагаются только органические вещества, в то время как в составе отходов все большую долю занимают стекло, пластмассы и др. компоненты. На современных свалках на слой отходов в 1,5-2,0 м приходится слой почвы 20-25 см, который иногда заменяется другими изолирующими материалами, в результате в них происходит длительный процесс разложения отходов. На глубине до 3 м, разложение длится 15-20 лет, в более глубоких слоях - 50-100 лет, оно сопровождается усадкой отходов до 50% от их объема, выделением газов, теплоты и фильтрата. Газы выделяются не менее 10 лет с момента их складирования, в их состав входит водород, сероводород, метан и другие. Температура складируемых отходов, при влажности 40-50%, не превышает 30-40 0С.
Влажность бытовых отходов увеличивает их теплоемкость. Дерево, картон, бумага имеют удельную теплоемкость в пределах от 2000 до 2500 Дж/кг ?С, стекло и камни - 800-1000, железо - 400, алюминий - 860 Дж/кг °С. [20]
У ТБО, при длительной неподвижности, появляется способность уплотняться и без дополнительного внешнего воздействия, выделять фильтрат. Высокая влажность ТБО вызывает коррозию у металла и присутствие в фильтрате растворов различных солей.
Ликвидация и обезвреживание отходов является сложной санитарной, технической и экологической проблемой.
По способу использования отходов, методы обезвреживания отходов подразделяют на утилизационные и ликвидационные. Утилизационные методы позволяют решать задачи экономии топливноэнергетических ресурсов, ликвидационные направлены в основном на удовлетворение санитарногигиенических требований. [5]
В городах, как правило, применяются ликвидационные способы: механический путь обезвреживания отходов на полигонах и термический, при котором отходы сжигаются. Распространен также утилизационный биологический способ, предусматривающий компостирование отходов. Сжигание и пиролиз являются основными термическими методами обезвреживания ТБО. Термические методы позволяют обеспечить:
• обеззараживание отходов в кратчайшие сроки;
• населенные пункты и про-
изводство теплом и электроэнергией полученной в результате
сжигании отходов;
• получение жидкого топлива и горючих газов (при пиролизе);
• существенное уменьшение объемов складируемой массы, после ее сжигания;
• возможность сооружения термических установок вблизи населенных пунктов;
• уничтожение вредной для человека микрофлоры и личинок насекомых.
Твердые отходы могут складироваться в искусственные или естественные пустоты (выработанное пространство, горные выработки и т.п.), находящиеся на различных глубинах в различных геологических породах. Основным параметром горной выработки, при захоронении отходов, является ее способность обеспечить долговременное нахождение материалов в изоляции от влияния вредных веществ на окружающую среду. Эта цель достигается созданием естественных и искусственных барьеров на пути их распространения. Экологически вредные отходы рекомендуется хранить в подземных пространствах отрабо-
танных соляных шахт, так как в их горные выработки исключено попадание воды. Соль считается геологическим барьером защищающим долгое время биосферу от проникновения вредных веществ хранящихся под землей. Это достигается постепенным охватыва-нием отходов соляной породой. Для сохранения этого барьера создаются искусственные заграждения не позволяющие проникновению грунтовых вод под землю. Нормативные акты Германии позволяют активно использовать соляные шахты для размещения отходов. [6 ]
Остальные породы, в результате нахождения в выработках воды, не могут защитить биосферу от проникновения вредных веществ, так, как соль. В результате чего возникает необходимость обязательного дополнительного уплотнения размещаемых под землей отходов. Наличие воды в горных выработках вызывает необходимость захоронения отходов идентичных химическому составу вод.
В настоящее время захоронение отходов электростанций работающих на сжигании каменного угля или мусора требует больших затрат, так как в них находятся вредные вещества, в виде тяжелых металлов, ароматических углеводородов и других, превышающие предельно допустимую их концентрацию. [8]. Размещение отходов энергетического и других производств целесообразно осуществлять в подземных хранилищах, т.к. они в течении долгих лет могут распадаться (разлагаться) естественным путем [7, 9].
Подземные сооружения в процессе использования, по сравнению с поверхностными, имеют следующие недостатки:
• высокую естественную влажность;
• отсутствие дневного света;
• невозможность свободного доступа с поверхности земли, т.к. спуск и подъем здесь осуществляется через определенные выработки (в некоторых случаях это является достоинством );
• наличие горного давления и возможность сдвижения горных пород вследствие создания или использования подземных пустот;
• более высокие капитальные затраты при строительстве здания под землей, чем на поверхности.
При подземном захоронении и обезвреживании отходов можно различать три подхода [10]:
• неглубокое захоронение (покрытые землей насыпи или искусственные структуры, конструкции под поверхностью земли, канавы, ямы, колодцы);
• захоронение в естественные или искусственные пустоты в горных породах (горные выработки шахт и рудников, высокопроницаемые горные породы);
• глубокое геологическое захоронение жидких отходов через скважины.
Захоронение в пустоты расположенные в горных породах является подходом, лежащим между захоронением неглубоко в земле и глубоким геологическим захоронением.
Опыт зарубежных стран показал, что подземное пространство целесообразно использовать для следующих целей [11] :
• обеспечения доступа к полезным ископаемым при их добыче;
• создания специализированных подземных объектов;
• получения дополнительных пространственных ресурсов;
• вторичного использования подземного пространства.
Подземные горные выработки обеспечивают доступ к полезному ископаемому для добычи и доставки его на земную поверхность. После завершения на горных предприятиях добычи полезных ископаемых, их горные выработки используются вторично в целях рационального использования недр и сохранения земной поверхности.
Процесс использования подземного пространства включает в себя строительство подземного сооружения, его эксплуатацию и ликвидацию.
Понятие эксплуатации подземных сооружений включает в себя управление: состоянием окру-
жающего массива горных пород; водопритоком; особен-ностями размещаемого в подземных условиях объекта.
Предпосылками для эксплуатации подземного пространства служат следующие факторы [12]:
• социальные;
• горнотехнические;
• геологические;
• энергосберегающие;
• оборонные.
Исследования показали [12], что экономически эффективна эксплуатация подземного пространства: в районах с высокой плотностью населения, плодородными почвами, развитой горнодобывающей промышленностью, благоприятными инженерно-
геологическими условиями для подземного строительства, для складов в районах Севера, пожароопасные, шумные и другие предприятия, наносящие вред окружающей среде.
Однако опыт показал, что эффективность эксплуатации подземных объектов, заключается в следующем [13, 14] :
• подземное пространство имеет относительно стабильные климатические характеристики (температурно-влажностный режим);
• оно изолировано от разного рода поверхностных воздействий, таких как шум, вибрация, радиоактивность и т.д.;
• относительно герметично, а также способно удерживать тепловую и другие виды энергии;
• влияние объекта, расположенного под землей на окружающую среду значительно ниже и в лучшей степени может контролироваться;
• подземные здания практически не требуют затрат на внешнюю отделку, служат на порядок дольше по времени и требуют гораздо более низких эксплуатационных затрат, чем поверхностные;
• подземное пространство в ряде случаев легче осваивать, чем поверхностное, т.к. оно не зависит от топографии и дробления на частные участки.
Наибольший опыт вторичной эксплуатации подземных горных выработок имеется в США [11].
В горных выработках размещаются предприятия точного приборостроения, оптики, по производству спортивных судов, проволочных изделий, конвейеров и другого оборудования, научноисследовательские лаборатории.
Так, из 20 млн м2 выработок известняковых шахт г. Канзас-
Сити используются около 2 млн
2
м , в том числе:
85% - под склады и холодильники; 7% - производственные объекты; 5% - офисы;
3% - предприятия сферы обслуживания [12, 15]
Со 100 кв. футов подземных складских помещений экономится 60-120 тыс. долл. в год за счет сохранения естественного тепла от людей и оборудования [16]. Зарубежные специалисты рекомендуют использовать подземные горные выработки для различных складов, предприятий легкого и среднего машиностроения.
Hughes D.S. и Ryan V.J. [17] считают экономически выгодно использовать горные выработки расположенные от крупных городов на расстоянии до 200 миль, в которых можно размещать лабораторные комплексы и библиотеки.
Анализ вторичной эксплуатации подземных сооружений показал [12, 18], что горные выработки угольных шахт, за исключением капитальных, где объем и площадь небольшие, целесообразно использовать для захоронения отходов. Подземные горные выработки известняковых, гипсовых, калийных рудников, соляных шахт, каменоломен, целесообразно использовать под склады различного назначения, производственных и иных целей.
В выработках соляных шахт организовываются медицинские учреждения, т.к. в них постоянное давление, влажность, температура воздуха, отсутствует бактериальная флора, солнечная радиация, шумы, ограничено воздействие магнитного поля [7].
Данная эксплуатация выработок способствует охране земной поверхности [19].
Мировая практика работы угольной промышленности свидетельствует об увеличении добычи угля. Из-за не всегда обоснованного закрытия угольных шахт, добыча угля в России снижается. До принятия решения о закрытии шахты необходимо проводить мероприятия снижающие себестоимость добычи угля. Одним из мероприятий является параллельная, с добычей угля, эксплуатация подземных горных выработок не уча-
ствующих в основной деятельности предприятия. Капитальные горные выработки, не участвующие в добыче, необходимо использовать под склады, мехмастерские, пункты питания, разведения рыб, выращивания грибов и др. Остальные выработки могут быть заняты под складировние (захоронение) нетоксичных отходов. Данные мероприятия позволяют снизить себестоимость добычи угля на работающих шахтах и обеспечить дополнительными рабочими местами местное население, что уменьшит социальную напряженность в угольных регионах.
Снижение себестоимости добычи угля может быть достигнута также, за счет уменьшения затрат связанных с транспортировкой угля к месту потребления. Для этого
необходимо развивать угольную промышленность в Европейской части России. Образовавшийся избыток угля перерабатывать, в регинах добычи, в жидкое топливо и газ (по опыту ЮАР [1]). Наличие в угольном регионе своего бензина и газа позволит ему небыть дотационным. Проводить научные исследования в целях использования угля не только как энергоносителя. Учитывая постоянно растущие потребности в энергоресурсах целесообразно, вместо закрытия, консервировать угольные предприятия имеющие промышленные запасы полезного ископаемого до наступления рентабельности подземной добычи угля, т.к. новую шахту строить достаточно дорого.
Обследования угольных шахт, в ряде регионов России, показа-
ли, что около 20% подземных горных выработок (около-ствольные дворы, выработки закрепленные железобетонной крепью) могут быть использованы для долговременной эксплуатации (склады, выращивание сельхозпродукции и др.), более 70%, (выработки закрепленные деревянной, анкерной, металлической крепью) - для складирования (захоронения) нетоксичных отходов.[21]
На территории России и стран СНГ горные выработки угольных шахт используются лишь в технологических циклах при добыче минеральных ресурсов. Подземные пространства не используемые для добычи полезных ископаемых подвергаются обрушению и затоплению.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
I. Малышев Ю.Н, Зайденварг В.М, Краснянский Г.Л. и др. Реструктуризация угольной промышленности. (Теория. Опыт. Программы. Прогноз.). - М.: компания «Рос-уголь», 1996. - 536 с., ил..
2. Газета Промышленные ведомости № 1 - 2 стр. 8.
3. Калыгин В.Г. Промышленная экология. Курс лекций. - М.; Изд-во МНЭПУ, 2000. - 240 с.
4. Ярошевский Д.А., Мельников Ю.Ф., Корсаков И1.Н. Санитарная техника городов. - М., Стройиздат, 321 с.
5. Отчет НИР МГГУ по теме «Разработать технологию использования подземного пространства закрывающихся шахт для переработки и размещения отходов. 12.01.1995.
6. Zweite allgemeine Vervaltungsvorschrift zum Abfallge-setz (TA - Abfall), teil 1, 1991.
7. Большая Советская Энциклопедия (в 30 томах). Гл.ред. А.М.Прохоров Изд.3-е. - М., "Советская энциклопедия", 1974.Т.20, 640 с., ил., С. 120-121.
8. Иофис М.А. Зависимость трещинообразования подрабатываемой толщи горных пород от характера деформаций. В сб. Методы борьбы с рудничными газами и пылью. - М., ИПКОН РАН СССР, 1987, с. 68-78.
9. Runovc F, Kortnik J. Ocena sirjenja necistoc iz jams-kih prostorov/ Rud. met.zb.-1992.-39, №3-4.
10. Site investigations, design, construction, operation, shutdown and surveillance of repositories for low - and intermediate - level radioactive, wastes in rock cavities, JAEA, Technical Report, Vienna, Austria, 1984, 87 s..
II. Умнов В.А. Экономическая оценка ресурсов подземного пространства.- М.: МГГУ, 1999-204 с.
12. Папернов М.М., Зильберборд А.Ф. Производственные и складские объекты в горных выработках. - М.: Стройиздат. 1984, - 187 с., ил.
13. Швецов П.Ф., Зильберборд А.Ф, Папернов М. М. Подземное пространство и его освоение. - М.: Наука, 1992. - 196 с.
14. Duffaut P, Marin G. Quels ouvrages souterrains pour le zleme siecle Tunneling and undegraund Space technology 1987.V2,№2.pp155-164
15. Srauffer T.P. Kansas City's use of limestone mines for business, industry and storage.- In Proceedings of the First International Symposium on Proceedings Storage in Excavated Rock Caverns 1sr. Stockholm, 1977. pp. 167-171.
16. Woodard D. The Kansas City underground experience. Proceeding of on Subsurface space, environment protection, low cost storage, energy savings ( Rockstore'80). International Symposium. Stockholm, 1980. pp. 63-75.
17. Hughes D.S, Ryan V.J. Possibilities for archives and other safe storage underground subsurface space. Environmental protection, low cost storage, energy saving program. Rockstore'80, International Symposium, 1980,
18. Хамм Э. Новые методы заполнения подземных пустот с целью уменьшения оседаний горных пород и захоронения отходов.// Перспективы развития горной промышленности: 15 Международн. горн. конференция., Мадрид, 25-29 мая, 1992. С. 352-353.
19. Христов Е Экологически целесообразное строительство хозяйственных объектов в заброшенных выработках в Болгарии. София: Гос. мин.-геол. унив., 1991 - 38, №2 - С. 101-108.
20. Гальперин А.М, Ферстер В., Шеф Х.-Ю. Техно-гекнные массивы и охрана окружающей среды. - М.: Издательство Московского государственного горного универси-тета.1997 - 534 с.
21..Левкин Ю.М., Левкин В.В. «Факторы, определяющие целесообразность закрытия подземных угольных шахт» Экологическая безопасность и устойчивое развитие. Сб. докпадов/Пятая международная экологическая конференция студентов и молодых ученых. Москва, МГГУ. 18-19 апреля 2001 г. Том 1. - Смоленск, Ойкумена, 2001 г. 368 с.(224 - 227).
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Левкин Ю.М. — доцент, кандидат технических наук, Московский государственный горный университет.
