Оценка возможности и технологические решения по размещению твердых бытовых отходов в подземном пространстве шахт Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

------------------------------------------ © И.М. Закоршменный, 2005

УДК 622.014.3:502.76:69.9035.4.002.68 И.М. Закоршменный

ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПО РАЗМЕЩЕНИЮ ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ В ПОДЗЕМНОМ ПРОСТРАНСТВЕ ШАХТ

Семинар № 11

Для оценки возможности использования подземного пространства горных предприятий для размещения твёрдых бытовых отходов рассмотрены концепция и цели реструктуризации угольной промышленности. При этом рассмотрена структура ТЭО на закрытие шахт в различных регионах России и выполнен анализ затрат на реализацию разрабатываемых решений.

Установлено, что до 85 % всех материальных затрат при ликвидации шахт идет на переквалификацию высвобождающихся трудящихся и их социальную защиту. Несмотря на это, существует острая проблема создания новых рабочих мест. Создание рабочих мест за счет использования подземного пространства шахты для теплиц, складов, нужд ГО себя не оправдывает. В то же время в горнодобывающих регионах, как правило, сложная экологическая обстановка, усугубляющаяся и размещением на полигонах твердых бытовых и промышленных отходов (ТБО и ТПО). В случае их размещения в подземном пространстве появляются перспективы экономически оправданной перепро-филизации шахты с сохранением основных элементов горного хозяйства и созданием новых рабочих мест.

С этой целью была разработана методика, включающая: определение объемов подземного пространства, пригодного для размещения отходов; оценка гидрогеологических и геоме-ханических условий с учетом фактора дли-

Таблица1

Объем горных выработок объектов исследования

тельной прочности; анализ схем транспорта и вентиляции закрываемых шахт. Для реализации указанных задач выбранны объекты исследования: шахты им. Кирова и «Горняцкая-Восточная», расположенные в Восточном Донбассе, шахта «Краснокаменская» в Кузбассе и шахта «Смирновская» в Подмосковном угольном бассейне. Объемы выработок указанных шахт представлены в табл. 1.

Кроме того определены гидрогеологические и инженерно-геологические условия пе-репрофилизации этих шахт и оценено возможное влияние технологии на качество подземных вод. Установлено, что все объекты приемлемы для этих целей. Для условий шахты «Смирновская» рассмотрена технологическая схема с термическим обезвреживанием отходов в подземном пространстве защищенный патентом на изобретение [1]. Сущность её заключается в размещении затаренных ТБО в камерах, создаваемых в технологических целиках у парных выработок, и сжигании их совместно с междукамерными целиками в направлении от наиболее удаленной камеры к стволам. Параметры представленной технологической схемы подробно изложены в работе [2].

После закрытия шахты проводятся камеры в технологических целиках у парных выработок, объединяемые в блоки сжигания. Раннее выполненные исследования показали, что соотношение сторон блоков для условий Подмосковного бассейна составляет 1:3. Одновре-

Шахта Объем выработок, тыс. м3 Горизонтальные, % Вертикальные, % Наклонные, %

Смирновская 95 98,2 1,8 -

им.С.М.Кирова 430 61,7 5,2 33,1

Краснокаменская 390 88,5 11,5 в т.ч. стволы 7,3 -

менно на блок бурятся продуктивные и вентиляционные скважины, по которым тягодутьевым оборудованием типа дымососов выдаются продукты подземного сжигания ТБО и угля. После подготовки очередного блока осуществляют прием ТБО на поверхности, их захоронение и спуск по стволу. Затаренные отходы после обезвоживания конвейерами доставляются к камерам, разгружаются и закладываются в камеры, а после их заполнения - в примыкающие к ним участки горных выработок. После розжига начинается процесс подземного сжигания ТБО и междукамерных целиков в пределах блока. Свежая струя подается за счет разряжения по одной из скважин к очагу горения, исходящая струя выдается по продуктивной скважине с установленным по ней тягодутьевым оборудованием. Здесь же устанавливается передвижной теплоэнергетический комплекс для утилизации тепловой энергии. Во время сжигания очередного блока готовится соседний блок, отделенный от первого камерой, не заполненной ТБО, или другими изоляторами. По мере сжигания ТБО и угля в пределах блока процесс повторяется.

Важнейшим процессом является сжигание ТБО совместно с углем, параметры которого определяют параметры прочих шахтных процессов и организацию работ. Поэтому определению параметров процесса горения ТБО и угля в подземном пространстве шахты в этом варианте уделяется основное внимание. Исходные данные для расчета: марка угля - Б2, состав угля на рабочую массу ~ = 33 %, Аг =

23,5 %, Бг -2,9 %, Сг = 29,1 %, Нг = 2,2 %, N = 0,6 %, 0 = 8,7 %, низшая теплота сгорания Qгi = 10500 кДж/кг. Средняя теплота сгорания ТБО на рабочую массу составляет QГi = 6300 кДж/кг. Низшая теплота сгорания смеси ТБО и угля = 8900 кДж/кг. Коэффициент заполнения объема камеры ТБО, Кз = 0,8; Объем сжигаемой смеси: gcм. тт = 27785 т/год , gcм тах = 95812 т/год. Расчеты выполнены для диапазона gcм: 27785, 40000, 60000, 80000, 95812 т/год

(0,881,1,268,1,903,2,537,3,038) кг/с.

Газоотводящая сеть блока сжигания при установившемся процессе, представляет из себя газоотводящую выработку, пройденную по угольному целику длиной порядка 120 м, и газоотводящую скважину длиной 60 м. Диаметр газоотводящей скважины (!ск = 0,5 м. Результаты определяемых основных параметров сжигания выполненные совместно Г.А. Янченко

представлены на рис.1. Установлено что, тепловая мощность составляет от 1895 до 25100 кВт., что подтверждает возможность реализации данного способа.

Выполненная экономическая оценка показывает, что, по сравнению с полигоном эффект достигается за счет снижения отрицательного воздействия на окружающую среду ТБО и продуктов их сжигания, а также утилизации и вовлечения в хозяйственный оборот попутно получаемой тепловой энергии и запасов угля в целиках и составил 12303 млн руб. в ценах 1994 г.

Экологическая оценка технологии показала, что выбросы в окружающую среду и загрязнение подземных вод не превышают норм ПДВиПДК [3].

Второй технологической схемой является обезвреживание отходов на поверхности шахт «Смирновская» с применением установки разработанной Обнинским физико-

энергетическим институтом и размещением шлаков в подземном пространстве. Варианты второй технологической схемы размещения ТБО представлены в табл. 2. Зола уноса складируется на городском полигоне. Элементы схемы транспорта представлены на рис. 2-3. Выполненная экономическая этой технологической схемы показывает, что, эффект от деятельности предприятия уже в первый год работы составил 9328 млн руб. в ценах 1994 г.

Как показал первый опыт неотъемлемым элементом технологической схемы размещения отходов в подземном пространстве закрываемых шахт вследствие его ограниченных размеров является частичное погашение целиков с созданием дополнительных полостей, пригодных для закладки. Для условий Восточного Донбасса для этих целей рекомендуется применение бурозакладочного комплекса Б3М (закладка буровых скважин и выработок).

Транспортирование отходов также выполняется с использованием существующего транспорта.

Для конкретных условий шахты им. Кирова предложены технологическая схема и последовательность работ по размещению продуктов термического обезвреживания ТБО [4], (табл. 3). В первой очереди использования подземного пространства производственная мощность-100 т ТБО в сутки при непрерывном режиме работы. Закладке МФШ подлежат более 98 тыс. м3 выработок

Таблица 2

Варианты производительности при размещения ТБО в подземном пространстве шахты «Смирновская»

№№ вариантов и основное отличие Производительность по ТБО Количество людей в регионе, тыс. чел. Продолжительность работы, лет.

т/сут м3/сут т/год. м3/год.

С термическим 1 29 145 10585 52940 ДО 50 40,9

обезвреживанием 1а 100 500 36500 182500 172 11,9

2 29 145 10585 52940 до 50 234,5

2а 100 500 36500 182500 172 68,0

Без термического 3 29 145 10585 52940 до 50 1,9

обезвреживания 3а 100 500 36500 182500 172 0,55

4 29 145 10585 52940 до 50 10,82

4а 100 500 36500 182500 172

1,1а - продукты термического обезвреживания отходов размещаются только в горные выработки, 1-для производительности 29 т/сут; 1а-100 т/сут;

2,2а - продукты термического обезвреживания отходов размещаются как в горные выработки, так и в дополнительные полости от частичного погашения целиков;

3,3а - отходы без термического обезвреживания размещаются только в горные выработки;

4,4а - отходы без термического обезвреживания размещаются в горных выработках и в дополнительных полостях.

Таблица 3

Сравнение вариантов использования подземного пространства шахта им. Кирова

№ Показатели Использование горных выработок для размещения твердых отходов

Полигон Вариант 1 Вариант 2 Вариант 3

1. Валовой доход, млн. руб/год 1368,75 19376,3 7169,35 1368,75

2. Капитальные затраты, млн. руб/год 168,0 669,6 669,6 249,6

3. Эксплуатационные затраты, млн. руб/год 677,5 4099,2 4099,2 3470,2

4. Налоги и отчисления, млн. руб/год 455,18 7494,6 2014,28 639,1

5. Чистая экономическая при- 78,07 7112,9 386,3 2989,5

быль, млн.руб./год

6. Эколого-экономический

ущерб, млн. руб./год всего в 11879,1 669,4 669,4 559,4

том числе:

атмосфере; 401,1 120,0 120,0 10,0

водным объектам; 11030,0 510,2 510,2 510,2

земельным ресурсам; 448,0 39,2 39,2 39,2

7. Народнохозяйственный эколо-

го-экономический эффект, 10510,35 18706,9 6499,95 809,35

млн.руб./год

вариант I - включает прием, термическую переработку твердых отходов, утилизацию и реализацию тепловой электрической энергии, металлов и последующее размещение в горных выработках твердых продуктов сжигания отходов;

вариант II - включает прием, термическую обработку твердых отходов, утилизацию только тепловой энергии и размещения твердых продуктов сжигания в горных выработках;

вариант III - только прием и размещение твердых продуктов сжигания отходов сторонних организаций._

и более 128 тыс. м3 дополнительных полостей парных выработок (50 % извлечения запасов в

от выбуривания скважин в охранных целиках у целиках). Срок работы 1-й очереди 18 лет, что

Таблица 4

Сравнение вариантов использования подземного пространства шахта «Краснокаменская»____________________________________

№№ п/п Показатели Полигон Использование горных выработок для размещения твердых отходов

Вариант 1 Вариант 2 Вариант 3 Вариант 4

1. Валовой доход, млн. руб/год 1875 12104,75 13504,75 34470 8088,5

2. Капитальные затраты, млн. руб/год 252 997,2 997,2 1801,2 277,2

3. 4. Эксплуатационные затраты, млн. руб/год Налоги и отчисления, млн. 1020 6145 6145 15810 2700

5. 6. руб/год Чистая экономическая прибыль, млн.руб./год Эколого-экономический 537 66 2680 2282,55 2990 3372,55 7660 9198,8 1800 3311,3

ущерб, млн.руб./год всего в том числе: 1913 945 1345 4490 1165

атмосфере; 401 180 180 900 0

водным объектам; 1045 705 1105 3525 1105

7. земельным ресурсам; Народнохозяйственный 467 60 60 65 60

8. эколого-экономический эффект, млн.руб./год Эффективность финансовых и материальных затрат: -38 11159,75 12159,75 29980 6923,5

• на микроэкономическом уровне 0,05 0,32 0,47 0,52 1,10

• на макроэкономическом уровне -1,03 0,56 0,70 0,70 1,30

вариант I - включает прием, термическую переработку твердых отходов, утилизацию и реализацию тепловой электрической энергии, металлов и последующее размещение в горных выработках твердых продуктов сжигания отходов;

вариант II - включает прием, термическую обработку твердых отходов, утилизацию только тепловой энергии и размещения твердых продуктов сжигания в горных выработках;

вариант III - только прием и размещение твердых продуктов сжигания отходов сторонних организаций; вариант IV - включает прием, термическую обработку твердых отходов, от сторонних организации размещение их без предварительной переработки в горных выработках._________________________________________

вполне достаточно для отработки и корректировки параметров технологической схемы 2-й очереди.

Экономическая оценка вариантов использования подземного пространства показала, при размещении ТБО на полигоне затраты финансовых и материальных средств неэффективно как для предприятия, так и для города и региона. При размещении МФШ от обезвреживания ТБО в подземном пространстве закрываемой угольной шахты эффективность финансовых и материальных затрат зависит от использования вторичных ресурсов, которые могут быть получены при термическом обезвре-

живании твёрдых бытовых и промышленных отходов.

Максимальная эффективность характеризует вариант размещения отходов в шахте с использованием тепловой и электрической энергии и получением сплавов металлов (на микроэкономическом уровне-1,49, на макроэкономи-ческом-2,92). Если из всех вторичных ресурсов утилизируется только тепловая энергия, эффективность издержек также находится в области абсолютной эффективности (0,08 и 0,36). Оба варианта выгодны как для угледобывающего предприятия, так и для города, региона, государства. Если же технологическая схема включает только размещение отходов в под-

80С

100

200

300

400

,сутки

земном пространстве шахты без ЗйВМййМШйГЬ ТСМШ£рpffiiYiptId [<ЕТРй)ТОрШ1КЯ [ [<И ВЫХОДе ИЗ

тепловой энергии или других и ТБО Gr

сурсов, издержки становятся абсолютно неэф- подземном пространстве шахты имеет сравни- L

фективными (-0,8; -0,8). тельную эколого-экономическую эффектив-

1 -0,881 кг/с; ®>ст4512Ш№Лр,у1-в4о^031?®^|998г)-4 - 2,537 кг/с; 5 - 3,038 кг/с

0,5

Рис. 2. Схема транспорта отходов в шахту

Х/ол п Д

Рис. 3. Схема транспорта отходов в шахту и угля из шахты

При возможности увеличения производительности размещения отходов в подземном пространстве доход предприятия будет устойчиво расти.

В условиях мощных крутых пластов на шахте «Краснокаменская» (Кузбасс) для создания дополнительных полостей в подземном пространстве при извлечении технологических целиков угля возможно применение только технологии бурошнековой выемки. Этому способствует наличие на шахте «Краснокаменская» относительно устойчивых боковых пород, что сводит к минимуму вероятность зажатия бурильного става в буримых по углю скважинах, а также, незначительная ширина целиков угля у промежуточных квершлагов, порядка 20-30 м. Для создания дополнительных полостей в целиках угля у квершлагов и их последующей закладки отходами и продуктами

переработки ТБО предлагается технологическая схема преду-

сматривающая использование следующего комплекса оборудования: буровой станок БГА-4М в комплекте с насосной установкой УНР-0,2; перегружатель - 1КСП2Н; шахтные вагонетки ВД-3,3.

Процессы подготовки и выемки угля из целиков производятся в следующем порядке, рис. 4. У левой или правой границы технологического целика из откаточного штрека посредством буровой установки проводится выемочная камера, из которой осуществляется бурение и последующее разбу-ри-вание скважин обратным ходом с использованием той же буровой установки. Скважины бурят парами, начиная от висячего или лежа-

чта^Щ|0Ш'ШтДЯШ1РРовеДеш'1Я первых двух скважин на всю длину,

то есть до верхней границы этажа, скребковый конвейер вблизи устья скважин сооружается

оградительная крепь по всей ширине выемочной камеры, и начинается засыпка скважин из верхней параллельной камеры. Тем временем буровая установка перемещается ^ел Б противоположный конец камеры и готовится к проведению следующей пары скважин.

Экономическая оценка использования подземного пространства шахты ТБО выполнена для трёх вариантов, отличающихся степенью утилизации тепловой и электрической энергии и рекуперации чёрных и цветных металлов, табл.4. При размещении ТБО на полигоне затраты финансовых и материальных средств неэффективно как для предприятия, так и для города и региона.

При размеВёйий- в шахту

ТБО в подземном пространстве закрываемой угольной шахты эффективность финансовых и материальных затрат зависит от использования вторичных ресурсов, которые могут быть получены при термическом обезвреживании твёрдых бытовых и промышленных отходов.

Все варианты выгодны как для предприятия, так и для города, региона, государст^ег^акси-мальная эффективность характеризует вариант размещения отходов в шахте с использованием

171

Узел I

Узел Б

Рис. 4. Схема отработки целиков

шахты «Краснокаменская»

тепловой и электрической энергии и получением сплавов металлов

Маркетинговые исследования показали, что в радиусе до 30 км от закрываемой угольной шахты имеются производители отходов в объёмах, значительно превышающих возможности шахты по их размещению. Значительный интерес для инвесторов представляют также возможности трудоустройства около 100 рабочих без их переквалификации и в связи с этим частичное финансирование проекта возможно в рамках программы закрытия неперспективных шахт за счет создания новых рабочих мест.

Полученные результаты в дальнейшем могут быть использованы при составлении разделов ТЭО при закрытие шахт с целью минимизации экологических последствий.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Патент №2025639 (Россия) Способ переработки отходов / Пучков Л.А., Селиванов Г.И., Закоршменный И.М., Ярунин С.А., Ярунина И.С. БИ 1994.

2. Выполнить анализ горно-технической ситуации закрывающихся шахт, разработать технологические схемы размещения и переработки отходов в их подземном пространстве и дать их эколого-экономическую оценку. Отчет по НИР ПУ-445.Рук. Ярунин С.А., ответственный исполнитель Закоршменный И.М. - М.: МГГУ.1995. 237с.

3. Ярунина И.С. Эколого-экономическая оценка технологии использования подземного пространства закрываемых шахт для размещения отходов. Дисс... канд. эконом. наук. - М.: МГГУ, 1994. 117 с.

4. Ярунин С.А., Закоршменный И.М., Максимов В.Ю. Потенциальные возможности использования подземного пространства угольных шахт.- Горный информационно-аналитический бюллетень. № 3. -М.: Изд-во МГГУ. 1998.

— Коротко об авторах ----------------------------------------------------------------

Закоршменный Иосиф Михайлович — декан факультета заочного обучения, кандидат технических наук, доцент кафедры «Подземная разработка пластовых месторождений», Московский государственный горный университет.