CC BY
19
УДК 622.271.45:622.33.012.2(470)
МЕТОДИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ КОМПЛЕКСНОЙ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПОРОДНЫХ ОТВАЛОВ ШАХТ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ
В.И. Ефимов, Г.В. Стась, Т.В. Корчагина, Д.О. Прохоров
Показано, что на протяжении всех геотехнологических периодов существования угольных шахт происходит отрицательное воздействие породных отвалов на атмосферу, водные ресурсы и почву. Сформулированы теоретические положения, в соответствии с которыми миграция жидких загрязнителей в почвенный слой и подстилающие породы в зоне действия породного отвала описывается одномерным уравнением конвективной диффузии с учетом кинетики сорбции загрязнителей. Движение воздуха при обтекании породных отвалов рекомендовано моделировать системой уравнений турбулентного движения вязкой текучей среды О. Рейнольдса, используя для численного решения метод конечных объемов. Численное решение уравнений движения О. Рейнольдса позволяет визуализировать картину течения воздуха в особых зонах и прогнозировать пылегазовый перенос в приземном слое атмосферы. Пыле-газовый перенос целесообразно моделировать уравнением конвективно-турбулентной диффузии, задавая скорость конвективного переноса по результатам расчета поля скоростей, формирующегося при обтекании отвала.
Ключевые слова: породный отвал, шахта, горный отвод, атмосфера, почва, водные ресурсы, уравнение движения, диффузия, загрязнитель, математическое моделирование.
В последние годы в мире растет значение угля как источника энергии и ожидается, что в перспективе такая тенденция сохранится. Согласно прогнозу «Energy Information Administration» к 2030 г. доля угля в мировом потреблении энергоносителей составит около 28 %, а в производстве электроэнергии - примерно 45 % (например, в 2004 г. - 43 %). В настоящее время уголь имеет ценовые преимущества перед нефтью и природным газом. Несмотря на транспортные издержки, аналитики называют уголь «конкурентоспособным энергоносителем будущего». Долгосрочная программа развития угольной промышленности России также нацелена на реализацию потенциальных конкурентных преимуществ российских угольных компаний и переход к инновационному социально ориентированному типу экономического развития страны. Прогнозный диапазон рациональных объемов добычи угля в 2030 г. должен составить 380...430 млн т. В этих условиях особую остроту приобретают проблемы, связанные с экологическими последствиями, обусловленными воздействием породных отвалов угольных шахт горнопромышленных регионов [1, 2].
На протяжении всех геотехнологических периодов существования угольных шахт происходит отрицательное воздействие породных отвалов на атмосферу, водные ресурсы и почву [3, 4]. При этом сформулированы научные положения, в соответствии с которыми миграция жидких загряз-
нителей в почвенный слой и подстилающие породы в зоне действия породного отвала описывается одномерным уравнением конвективной диффузии с учетом кинетики сорбции загрязнителей [5, 6]. Движение воздуха при обтекании породных отвалов следует моделировать системой уравнений турбулентного движения вязкой текучей среды О. Рейнольдса, используя для численного решения метод конечных объемов. Численное решение уравнений движения О. Рейнольдса позволяет визуализировать картину течения воздуха в особых зонах и прогнозировать пылегазовый перенос в приземном слое атмосферы [7, 8]. Пылегазовый перенос целесообразно моделировать уравнением конвективно-турбулентной диффузии, задавая скорость конвективного переноса по результатам расчета поля скоростей, формирующегося при обтекании отвала [8, 9].
Балансовые запасы угля Кузбасса, подсчитанные в основном до глубины 600 м, составляют 110,8 млрд т, из них разведанные по сумме категорий A+B+Cl - около 67 млрд т, предварительно оцененные (категория С2) - 44,0 млрд т. По запасам коксующихся углей Кузнецкий угольный бассейн - самый крупный в СНГ. На долю коксующихся углей приходится 42,8 млрд т, из них дефицитных марок Ж, К, ОС - 25,4 млрд т. Практический интерес представляют и угольные месторождения Восточного Донбасса и Печерского бассейна. Обоснование целесообразности доработки оставшихся запасов коксующихся углей на ликвидируемых шахтах Кузбасса, Печерского угольного бассейна и Восточного Донбасса необходимо осуществлять на основе многокритериальной оценки рентабельности добычи для оставшихся запасов углей ликвидируемых шахт и возникающей экологической нагрузки на окружающую среду [10, 11].
Одними из основных источников воздействия на все составляющие окружающей среды являются породные отвалы угольных шахт. Для оценки воздействия техногенных массивов на атмосферу были исследованы угледобывающие предприятия: АО «Объединение «Прокопьевскуголь»: АО «Шахта «Тырганская», АО «Шахта «Зиминка», АО «Шахта им. Ворошилова», АО «Шахта «Красногорская», - расположенные в черте г. Прокопьевска и имеющие на территории горных отводов техногенные массивы.
Закрытие шахт на территории Кемеровской области создало и продолжает создавать экологические проблемы. Продолжается отрицательное воздействие отвалов и выработанных пространств на все составляющие окружающей среды и в настоящее время. Аналогичная ситуация - в Подмосковном угольном бассейне. Так, в Тульской области добыто более 1 млрд 200 млн т угля. Суммарная площадь, в той или иной мере подверженная техногенному воздействию, связанному с разработкой месторождений угля, составляет около 12 % от общей территории области. А породные отвалы являются источниками воздействия на окружающую среду в течение многих десятилетий. Результаты натурных наблюдений на территориях горнопромышленных районов Тульской области показали, что хи-
мически активные водорастворимые соединения, образующиеся при фильтрации атмосферных осадков через тело отвала, могут скапливаться в образовавшейся под ним глинистой непроницаемой мульде. В периоды интенсивных атмосферных осадков и снеготаяния загрязнители, переполняя эту линзу, попадают в окружающие отвал почвы и распространяются с грунтовыми водами [6].
Вертикальная миграция загрязнителя в почву и далее в подстилающие породы удовлетворительно описывается одномерным уравнением конвективной диффузии с учетом кинетики сорбции загрязнителя твердой фазой почв и подстилающих пород. В данном случае целесообразно рассматривать полубесконечное пространство. Уравнение миграции загрязнителя имеет следующий вид:
dc dc ^ d2c — + w— = Ds—т
dt dz s dz2
Kc,
(1)
(2)
где c(z, t) - концентрация загрязнителя в горных породах; w - средняя скорость фильтрации почвенного раствора; Ds - коэффициент диффузии; K -константа скорости сорбции загрязнителя горными породами. Начальные и граничные условия имеют вид
c(z,0) = c0 = const, c(0,t) = cb = const, lim c ф да.
Решение уравнения (1) для условий (2) получено в виде
c(z,t) = c0 exp(-Kt) + 0,5exp(0,5azcb exp(-л/AB)erfc(0,5>/A /1 -yJBt)
+ exp(VAß)erfc(0,5>/A77 + VB7) -c0exp(-At){exp -Ja(B-K)
+
x
xerfc
0,5N/ÄT7 -yl(B-K) t 0,5Л/Х77
+ exp
xerfc
,/A(B-K)
K)t ]}),
X
(3)
где А и В — обобщенные параметры диффузии и сорбции загрязнителя.
Вычислительные эксперименты показали, что миграция токсичных компонентов жидких стоков с поверхности отвала приводит к интенсивному загрязнению почвы и подстилающих пород. При этом профиль концентрации имеет волнообразный характер с точкой максимума, обусловленной в данный момент времени в конкретной точке рассматриваемого пространства равенством скоростей процессов конвективно-диффузионного переноса и сорбции.
Помимо загрязнения прилегающих территорий кислотными стоками, для породных отвалов характерно значительное выделение в атмосферу пыли и газовых загрязнителей, которые в сухую, ветреную погоду сдуваются с поверхности отвала и уносятся на значительные расстояния, загрязняя атмосферу и поверхностный почвенный слой. Таким образом, моделирование движения воздуха при обтекании породных отвалов дей-
ствующих и ликвидированных угольных шахт становится одним из основных методов анализа качества предлагаемых экологических решений по защите окружающей среды.
Рис. 1. Обтекание конического отвала высотой 30 м, ветер восточный, 10 м/с
Экспериментальные данные об интенсивности уноса пыли различного дисперсного состава и влажности при постоянном и пульсирующем потоке воздуха свидетельствуют о том, что интенсивность пылеуноса резко возрастает при скорости воздуха, превышающей 5 м/с.
Рис. 2. Обтекание хребтового отвала высотой высотой 15 м,
ветер восточный, 5 м/с
Доказано, что моделирование аэрогазодинамических процессов при обтекании породных отвалов основывается в общем случае на системе уравнений, описывающей течение вязкого, сжимаемого теплопроводного газа в трехмерной постановке [10]. Для решения этих уравнений использо-
ван стандартный подход метода конечных элементов с использованием функции формы конечного элемента. Результаты вычислительного эксперимента приведены на рис. 1, 2.
В общем случае необходимо учитывать осаждение пыли в процессе переноса ее воздушным потоком. Математическая модель конвективно-турбулентного диффузионного переноса пыли в приземном слое атмосферы зоны действия породного отвала с учетом седиментации получена в следующем виде:
сп (хI) = 0,5сн ехр
0,5и
V В"
■X
ехр
-0,5
и
4км„
В2 Вп
X
X
хегГс
0,5х _ \
0,25
С 2 и
в„
+ 4км„
+ ехр
0,5
и2 4Ыв
+ в
В2 Вп
X
х
х ег&
0,5х
4В/+\
0,25
Г 2
и л, — + 4к^в В
V п
(9)
где сп - концентрация пыли в воздушном потоке; и - средняя скорость воздуха с подветренной стороны отвала; Вп - коэффициент турбулентной диффузии пыли в приземном слое атмосферы; к - коэффициент седиментации; - скорость витания пыли в воздухе.
Анализ результатов вычислительного эксперимента показал, что в процессе переноса пыли происходят довольно интенсивное ее осаждение и накопление на внешней поверхности почвы (рис. 3).
При этом интенсивность осаждения пыли во многом определяется величиной скорости витания пыли и значением коэффициента седиментации. В зависимости от скорости ветра и длительности его действия пыли малых фракций могут распространяться на значительные расстояния от пылящего отвала. Этот факт подтверждается и результатами натурных наблюдений. Таким образом, при оценке воздействия пыли породных отвалов на окружающую среду необходимо решать нестационарную задачу, чтобы прогнозировать динамику пылевой ситуации в зоне действия отвала.
Натурные наблюдения показали, что поверхность породного отвала также является источником выбросов газовых загрязнителей в приземной слой атмосферы.
Оп(хД)
1\1
2^1 5
1 4 \
х, м
Рис. 3. Распределение пыли в воздушном потоке, обтекающем отвал Сп(х,() = сп (х,()/сь, где время, мин: 1 - 3; 2 - 5; 3 - 7; 4 - 9; 5 -16
Математическая модель конвективно-турбулентного диффузионного газового загрязнителя в приземном слое атмосферы зоны действия породного отвала имеет следующий вид:
сгл (х, 1 ) = 0,5с1ехр
А0,5и л -х
V ^г. п у
ехр
- 0,5
/ \2 и
V ^г. п у
хегГс
0,5
х
и
Я,
\ 0,5 { \ и
+ ехр
у V ^г.п у
х
х
х
х
х ег£с
0,5
х I 1
+ и
(10)
где сг.п и с1 - концентрация газового загрязнителя в воздушном потоке и ее начальное значение; Эгп - коэффициент турбулентной диффузии загрязнителя в приземном слое.
Наблюдения свидетельствуют о том, что газовые загрязнители могут распространяться на значительные расстояния. Анализ результатов вычислительного эксперимента показал, что в процессе переноса газового загрязнителя его концентрация меняется незначительно в течение периода действия ветра.
При этом интенсивность выведения газового загрязнителя из воздушного потока будет происходить в основном за счет сорбции жидкими и твердыми частицами. В зависимости от скорости ветра и длительности его действия газообразные загрязнители могут распространяться на значи-
тельные расстояния от породного отвала. Этот факт также подтверждается и результатами натурных наблюдений.
Обобщение результатов экспериментальных и теоретических исследований позволило усовершенствовать систему оценки воздействия породных отвалов на окружающую среду. Структурно-функциональная схема оценки экологических последствий воздействия отвалов представлена на рис. 4.
ЦЕНТР ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА
Прогнозная модель оценки экологических последствий
Динамические закономерности аэрогазодинамических процессов
Динамические закономерности теплофизиче-ских процессов
ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА
Аэрогазодинамические и тепловые процессы
Поглощение атмосферного кислорода
Самонагревание угольного скопления
Самовозгорание породного отвала
Газо обмен с Земной поверхностью
Источник воздействия
Угольное скопление на поверхности породного отвала
Выработанные пространства и подработанные
газоносные горные породы
Рис. 4. Структурно-функциональная схема оценки экологических последствий воздействия отвалов на окружающую среду
Анализ технических решений показал, что на данном этапе целесообразно использовать технологию, в соответствии с которой породные отвалы угольных шахт следует размещать в выработанных пространствах известняковых карьеров. Усовершенствованная технологическая схема рекультивации горных отводов известняковых карьеров Подмосковного угольного бассейна с использованием отвалов ликвидированных угольных шахт предусматривает использование остаточных запасов угля как источника энергии. В Тульском государственном университете разработаны способы подземной газификации тонких и средней мощности пластов бурого угля с целью получения электрической энергии [11, 12]. В данном случае эта электроэнергия используется при разработке породных отвалов ликвидированных шахт.
Предлагаемая технология подземной газификации заключается в том, что в известном способе подземной газификации угольного пласта, включающем осушение угольного пласта, нагнетание в реакционный канал окислителя (дутья) по вертикальным скважинам, отсос из него продук-
тов газификации (энергетического газа) через газоотводящие скважины и минимизацию давления в реакционном канале, дополнительно бурят две вертикальные скважины до почвы угольного пласта и соединенные с ними две горизонтальные продуктивные скважины длиной 100 - 140 м на границах отрабатываемого участка газифицируемого угольного пласта на расстоянии 50 - 60 м друг от друга. Затем бурят также нагнетательные скважины по центру данного участка пласта с шагом 15 - 20 м, при этом вертикальные продуктивные скважины и первую нагнетательную скважину, через которую осуществляют розжиг угля, располагают на одной оси, перпендикулярной линии простирания угольного пласта, горизонтальные продуктивные скважины обсаживают перфорированными трубами. В качестве окислителя используют атмосферный воздух с добавкой парокисло-родной смеси в количестве 20000...50000 м /ч, поддерживая температуру
о
огневого забоя на уровне 550.700 С, а управляют огневым забоем последовательным переключением на нагнетательную скважину, к которой подходит огневой забой, а также путем изменения количества нагнетаемого окислителя.
Таким образом, на практике доказана эффективность усовершенствованной системы комплексной геоэкологической оценки воздействия отвалов на территориях горных отводов ликвидируемых шахт. Теоретические и экспериментальные исследования позволили уточнить закономерности воздействия породных отвалов угольных шахт на окружающую среду в процессе их эксплуатации, а также после ликвидации шахт для разработки геотехнологических решений, обеспечивающих экологическую безопасность на всех этапах существования породных отвалов угольных шахт.
Список литературы
1. Качурин Н.М., Ефимов В.И., Воробьев С.А. Методика прогнозирования экологических последствий подземной добычи угля в России // Горный журнал. 2014. № 9. С. 71 - 75.
2. Качурин Н.М., Стась Г.В., Вавилова Л.Н. Аэрологические проблемы использования углей Подмосковного бассейна // Безопасность труда в промышленности. 2004. № 4. С. 27 - 29.
3. Качурин Н.М., Стась Г.В., Вавилова Л.Н. Некоторые насущные проблемы развития Подмосковного угольного бассейна // Горный информационный аналитический бюллетень. 2004. №10. С. 245.
4. Качурин Н.М., Белая Л.А., Агеева И.В. Концептуальные положения повышения эффективности геоэкологического мониторинга промышленных регионов // Безопасность жизнедеятельности. 2010. № 5. С. 28-33.
5. Проблемы экологической безопасности освоения месторождений при подземной добыче угля / Н.М. Качурин, А.П. Саломатин, Л.Л. Рыбак,
В.Л. Рыбак // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. Вып. 2. 2012. С. 17-31.
6. Концептуальные положения мониторинга параметров окружающей среды при добыче полезных ископаемых / Н.М. Качурин, В.В. Факто-рович, Л.Л. Рыбак, В.Л. Рыбак // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. Вып. 1. 2013. С. 3 - 14.
7. Корчагина Т.В., Рыбак В.Л., Рыбак Л.Л. Образование отходов производства и потребления на территории Кемеровской области // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. Вып. 1. 2013. С. 15 - 20.
8. Эколого-экономическая оценка эффективности проектов добычи и переработки полезных ископаемых / Н.М. Качурин, Е.И. Зоркин, Л.Л. Рыбак, Ю.Ю. Дианов // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. Вып. 1. 2013. С. 177 - 187.
9. Качурин Н.М., Комиссаров М.С., Королева О.С. Прогноз загрязнения приземного слоя атмосферы горнодобывающими предприятиями // Безопасность жизнедеятельности. 2012. №12. С. 28- 34.
10. Аэродинамика породных отвалов и пылегазовые выбросы в атмосферу / Н.М. Качурин, В.И. Ефимов, А.Д. Левин, В.Л. Рыбак // Уголь. 2016. №2. С. 96-100.
11 . Способ подземной газификации тонких и средней мощности пластов бурого угля: пат. №2522785 РФ; опуб. 20.07.2014. Бюл. №20.
12. Способ комплексного освоения месторождения бурого угля: пат. №2526953 РФ; опуб. 27.08.2014. Бюл. №24.
Ефимов Виктор Иванович, д-р техн. наук, проф., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Стась Галина Викторовна, д-р техн. наук, доц., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Корчагина Татьяна Викторовна, канд. техн. наук, директор, t.korcyaginaasds-ugol.ru , Россия, Кемерово, ООО «Сибирский институт горного дела»,
Прохоров Дмитрий Олегович, канд. техн. наук, доц., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
METHODOLOGICAL PRINCIPALS OF THE INTEGRATED ECOLOGICAL
EVALUATING ENVIRONMENTAL INFLUENCE OF COAL MINE DAMPS
V.I. Efimov, G.V. Stas, T.V. Korchagina, D.O. Prokhorov
It is shown that throughout all geo-technological periods of the existence of coal mines, there is a negative impact of waste dumps on the atmosphere, water resources and soil. Theoretical propositions have been formulated, in accordance with which the migration of liquid pollutants into the soil layer and underlying rocks in the zone of action of the waste
dump is described by a one-dimensional equation of convective diffusion, taking into account the kinetics of sorption of pollutants. It is recommended to model the air movement when flowing around the waste dumps by the O. Reynolds system of equations for the turbulent motion of a viscous fluid, using the finite volume methodfor the numerical solution. The numerical solution of the equations of motion of O. Reynolds makes it possible to visualize the picture of air flow in special zones and predict the dust and gas transport in the surface layer of the atmosphere. It is expedient to simulate the dust and gas transfer by the equation of con-vective-turbulent diffusion, setting the convective transfer rate according to the results of calculating the velocity fieldformed when flowing around the dump.
Key words: waste dump, mine, mining claim, atmosphere, soil, water resources, equation of motion, diffusion, pollutant, mathematical modeling.
Efimov Viktor Ivanovich, doctor of technical sciences, full professor, v.efimov@ msk. sds-ugol. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Stas Galina Viktorovna, doctor of technical sciences, docent, galina_stas@ mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Korchagina Tatiyna Viktorovna, candidate of technical sciences, tor, t.korcyaginaasds-ugol.ru , Russia, Kemerovo, LLC"Sibirskyi Institut Gornogo Dela",
Prokhorov Dmitry Olegovich, candidate of technical science, docent, galina_stas@ mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
Reference
1. Kachurin N. M. Efimov, V. I., Vorobyov S. A. the Methodology of forecasting environmental impacts of underground coal mining in Russia // Mining journal. 2014. No. 9. P. 71 - 75.
2. Kachurin N. M., Stas G. V., Vavilova L. N. Aerological problems of using coal in the Moscow basin // labor Safety in industry. no. 4. 2004. Pp. 27-29.
3. Kachurin N. M., Stas G. V., Vavilova L. N. Some pressing problems of development of the Moscow coal basin // Gorny informational analytical Bulletin. 2004. no. 10. P. 245.
4. Kachurin N. M., Belaya L. A., Ageeva I. V. Conceptual provisions for improving the efficiency of geoecological monitoring of industrial regions // life Safety. 2010. no. 5. Pp. 28-33.
5. Problems of environmental safety of field development in underground coal mining / N. M. Kachurin, A. P. Salomatin, L. L. Rybak, V. L. Rybak // Izvestiya of the Tula state University. earth science. Issue 2. 2012. Pp. 17-31.
6. Conceptual provisions for monitoring environmental parameters in mining / N. M. Kachurin, V. V. Faktorovich, L. L. Rybak, V. L. Rybak // Izvestiya of the Tula state University. earth science. Issue 1. 2013. P. 3-14.
7. Korchagina T. V., Rybak V. L., Rybak L. L. Formation of production and consumption waste on the territory of the Kemerovo region // Izvestiya tulskogo gosudarstven-nogo universiteta. earth science. Issue 1. 2013. Pp. 15-20.
8. Ecological and economic assessment of the efficiency of mining and processing projects / N. M. Kachurin, E. I. Zorkin, L. L. Rybak, Yu. Yu. Dianov // Izvestiya of the Tula state University. earth science. Issue 1. 2013. Pp. 177-187.
9. Kachurin N. M., Komissarov M. S., Koroleva O. S. Forecast of pollution of the surface layer of the atmosphere by mining enterprises // Safety of life. 2012. no. 12. Pp. 2834.
10. Aerodynamics of rock dumps and dust and gas emissions into the atmosphere / N. M. Kachurin, V. I. Efimov, A.D. Levin, V. L. Rybak // Coal. 2016. No. 2. P. 96-100.
11. Method of underground gasification of thin and medium-sized layers of brown coal: Pat. no. 2522785 RF; pub. 20.07.2014. bul. no. 20.
12. Method of complex development of brown coal deposits: Pat. no. 2526953 RF; pub. 27.08.2014. bul. no. 24.
УДК 551:581.1
ЗАСОЛЕНИЕ ПОЧВЫ И ЕГО ВЛИЯНИЕ НА РАСТЕНИЯ
В.В. Иванищев, Т.Н. Евграшкина, О.И. Бойкова, Н.Н. Жуков
Представлена информация о засолении почв как одного из распространенных природных и отчасти антропогенного стрессового фактора. Описаны основные типы засоления почв, их особенности, а также их распространение на территории России. Приведены результаты сравнительного анализа влияния различных типов засоления на сельскохозяйственные растения (на примере тритикале озимого). Показана возможность использования метода кластерного анализа для оценки специфики биохимической адаптации растений к разным типам засоления среды.
Ключевые слова: почва, хлоридное засоление, сульфатное засоление, карбонатное засоление, тритикале, кластерный анализ.
Засоление почвы - одно из природных явлений, которое возникает по ряду причин. Первичное засоление определяется наличием избытка разных солей, который обусловлен геологическими причинами и/или неравномерным распределением веществ по поверхности и залегающим горизонтам почвы. Изменение степени засоления определяется многими факторами, среди которых можно отметить неравномерность процессов водообеспечения почв и испарения воды из-за разных свойств самой почвы. При этом температурные условия не играют существенной роли в указанном процессе. В то же время глобальные изменения климата способствуют усугублению этой проблемы.
Данные Международного института окружающей среды и развития и Института мировых ресурсов показывают, что около 10 % поверхности континентов покрыто засоленными почвами [1]. В России на долю засоленных почв приходится более 50 млн га, что составляет 3,3 % общей площади России и 5,0 % площади почв равнин [2].
Проблема не имела бы такого значения, если бы она не была связана с производством сельскохозяйственных культур, обеспечивающих население планеты и сельскохозяйственных животных пищей. В результа-
