CC BY
329
ЭКОЛОГИЯ
УДК 622.271.45:622.33.012.2(470)
ПОРОДНЫЕ ОТВАЛЫ УГОЛЬНЫХ ШАХТ РОССИИ
С.З. Калаева, С.М. Богданов, Н.О. Лукин, А.А. Огер
Обобщены результаты натурных наблюдений за формированием породных отвалов Кузбасса, Восточного Донбасса и Подмосковного угольного бассейна. Приведены основные факторы воздействия породных отвалов на окружающую среду. Отмечено, что основными мероприятиями по обеспечению экологической безопасности являются утилизация вещества породных отвалов и экологический мониторинг воздействий отвалов на атмосферу, почвы и гидросферу.
Ключевые слова: породный отвал, шахта, литохимическое загрязнение, пыль, газовые загрязнители, жидкие стоки, атмосфера, гидросфера, почва.
Последствия подземной добычи угля в Подмосковном угольном бассейне и отходы горнодобывающего комплекса Тульской области.
Развитие отрасли опирается на существующие минерально-сырьевые ресурсы области. Главными до недавнего времени являлись месторождения бурых углей Подмосковного бассейна, разработка которых началась более 150 лет назад, в 1853 году. Известно, что за 150 лет в Подмосковном бассейне было добыто 1589,3 млн т. угля. Принимая во внимание «удельный вес» области в добыче, составляющий не менее 80 % от общего объёма, непосредственно в Тульской области добыто 1271,44 млн т. угля. Суммарная площадь, в той или иной мере подверженная техногенному воздействию, связанная с разработкой месторождений угля, достигает 3102,75 км , или 12,1 % от общей территории области. В пределах этой площади значительно активизировались экзогенные геологические процессы (провалы, заболачивание, просадки, оползни) [1 - 5].
Добыча углей, производимая на протяжении 150 лет, привела к резкому нарушению природных ландшафтов и формированию новых, выделяемых исследователями как Верхнедонской антропогенный район. В со-
став района входят территории Кимовского, Узловского, частично Новомосковского, Богородицкого, Киреевского и Щёкинского административных районов Тульской области.
Площадь района равна 5760 км2. Терриконы хаотично разбросаны по территории всей области. Занятые ими площади выпадают из сельскохозяйственного и лесного производства. Распаханные приотвальные пространства располагаются у подножия терриконов в радиусе 250...400 м. Плодородный слой чернозёмных почв перемешан со смытой дождевыми потоками и нанесённой ветром угольной золой. На пашне разбросаны куски пустой породы и спекшегося шлака. Приведённая характеристика учитывает механическое воздействие угледобывающей отрасли, что иллюстрируется рис. 1 - 4.
Данные поисково-разведочного опробования товарной продукции угледобывающих предприятий Подмосковного угольного бассейна указывают на его невысокое качество. Зольность изменяется в пределах 34,4...45,0 %, сернистость составляет 3...5 %.
Рис. 1. Техногенная пустыня в зоне действия породного отвала на территории Узловского района Тульской области
Сопоставление среднего содержания отдельных химических элементов с их кларковыми концентрациями в бурых углях бывшего СССР показывает, что угли Подмосковного бассейна характеризуются повышенным содержанием металла в зольном остатке. Уровни концентраций эле-
ментов в отходах разных обогатительных фабрик не одинаковы и зависят от состава породы, образующейся после обогащения углей [6 - 8]. В отходах с большим количеством колчедана отмечается преимущественное накопление свинца, селена, ртути, золота, урана (ОФ «Прогресс»).
Рис. 2. Озеро, образованное поверхностными водами, на территории техногенной пустыни отвала отработанной шахты ОАО «Мосбассуголь»
Рис. 3. Породный отвал отработанной шахты ОАО «Мосбассуголь» в Богородицком районе Тульской области
5
Рис. 4. Техногенная пустыня в зоне действия породного отвала на территории Богородицкого района Тульской области
В отходах с низким содержанием серы концентрируются цирконий, ниобий, титан, хром, ванадий, литий, рубидий, торий, золото (ОФ «Никулинская», «Владимировская» и «Бельцевская»).
Следовательно, загрязнению подвергаются все типы ландшафтов (трансэлювиальные, трансаккумулятивные, транссупераквальные, акваль-ные). 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. 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 отдельных случаях создаются благоприятные предпосылки для накопления элементов на техногенных геохимических барьерах. Например, в почвах, особенно в транссупераквальных ландшафтах, аккумулиру-
ются на барьерах В2, В3 марганец, кобальт, никель, медь, цинк, хром, свинец, кадмий, ртуть, уран и другие. В тех случаях, когда сорбционные свойства природных ландшафтов резко снижены, могут наблюдаться процессы загрязнения грунтовых и даже подземных вод токсичными веществами и элементами. Примерами могут служить факты загрязнения подземных вод в Новомосковском промышленном районе, где зафиксированы факты превышения ПДК в подземных водах по кадмию и ртути. Однако генезис этих аномалий до конца не выяснен.
Вопросам загрязнения подземных вод Упинского водоносного горизонта должно быть уделено особое внимание в связи с закрытием большинства действующих шахт и прекращением водоотлива. Известно, что в процессе обработки угольных залежей водопонижение проводится не только в горизонте подугольных песков, но и нижележащем, упинском. Надёжного водоупора между угленосными отложениями к нижележащим упинским водоносным горизонтом, как правило нет. Залегающие в подошве углей бобриковские глины (С1 вв) невыдержаны по мощности и по простиранию, что создаёт благоприятные предпосылки для перетоков подземных вод из вышележащих в нижележащие горизонты. Например, закрытие шахты Западной в 1995 году привело к прогрессивному загрязнению подземных вод упинского водоносного горизонта. Взаимодействуя с вмещающими породами, они выщелачивает широкий спектр химических элементов, в том числе и токсичных. При определенных условиях они могут достигать водозаборов и снижать качество питьевых вод. Расположенные западнее шахтного поля водозаборы Воздремковский и Троснянский испытывают воздействия отработки до настоящего времени. В подземных водах упинского горизонта заметно выросла минерализация с 0,3... 0,5 г/л в семидесятых годах до 0,9.1 г/л в 1996 году. За это же время содержание сульфатов возросло от 50.100 до 500.700 мг/л, железа - со следов до 3,1 мг/л. Отсюда следует, что ухудшение качества воды будет продолжаться. Агрессивные шахтные воды, несущие разнообразную гамму химических элементов, по окнам гидравлической связи проникая в известняки упинского водоносного горизонта, попадают в другую геохимическую обстановку. На щелочном барьере осаждается основная часть элементов. В этом случае высока вероятность образования промышленно значимых концентраций ряда элементов, в том числе и редкоземельных.
В области производится интенсивная добыча нерудного сырья, главным образом, для строительного комплекса. По имеющимся данным о состоянии карьерного хозяйства на 1994 год в области насчитывается 64 карьера.
Среднегодовой объём по добыче и производству строительных материалов составляет: по щебню 6,5 млн м , по добыче известняков с целью получения из них технологического сырья для химической, сахарной и ме-
_Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2016. Вып. 1_
таллургической промышленности - 2,1 млн т, по горному и речному песку - 2 млн т, по керамзитовым глинам - 700 тыс. т; по суглинкам для производства керамического кирпича 3750 тыс. т. Среднегодовой объём экска-вационных работ на всех карьерах по добыче вышеуказанной продукции более 60 млн м .
Из 2164,5 га предоставленных земель для разработки полезных ископаемых нарушено 1929,8 га, что составляет 89 % от предоставленных для разработки. Рекультивировано 1108 га, или 57 % от нарушенных земель. Темпы и качество рекультивации крайне низкие. В основном ведётся техническая рекультивация путём засыпки выработанного пространства карьеров вскрышными породами [9-11]. Рекультивированные земли практически непригодны для сельского хозяйства.
Горно-обогатительное производство связано с большим выделением отходов горного производства по предприятиям строй комплекса области и составляет 40 млн м год. Часть из этих отходов - мелкая фракция известняка - в количестве 12 млн м в год может быть использована в производстве блочных стеновых материалов и приготовлении известняковой муки для раскисления почв в сельском хозяйстве.
Суммарный объём выбросов загрязняющих веществ в атмосферу только по 13 крупным карьероуправлениям составляет 1649 т в год. Наибольшее суммарное количество вредных веществ выбрасывают в атмосферу Венёвское карьероуправление (543 т/год), Хомяковское (432 т/год), По-реченский карьер (340 т/год). Очистка сточных вод производится лишь на 7 карьероуправлениях, причём до требуемых норм лишь на одном предприятии.
Приведённые факты указывают на неблагоприятную ситуацию, сложившуюся в этой отрасли промышленности. Тем более, в действительности она значительно опасней, так, анализ данных вскрывает ряд серьёзных несоответствий. Например, исходя из объёма экскавационных работ, равного 60 млн м /год, за десятилетний период (1984 - 1994) площадь нарушенных земель при средней глубине карьера, равной 30 м, должна быть не менее 2000 га.
Оценка воздействия техногенных массивов угледобывающих предприятий на окружающую среду Кузбасса. Воздействие на атмосферу. Одним из основных источников выбросов загрязняющих веществ в атмосферу угледобывающими предприятиями Кемеровской области являются техногенные массивы, представленные карьерами, терриконами и породными отвалами [12 - 15].
Выбросы пыли в атмосферу происходят при выгрузке породы в отвал, его формировании и при сдувании твердых частиц с поверхности отвала. Интенсивность пылевыделения зависит от типа используемого оборудо-
вания, влажности перегружаемого материала, высоты пересыпа, климатических условий и эффективности применяемых средств пылеподавления. Количество твердых частиц, сдуваемых с поверхности породных отвалов, зависит от площади пылящей поверхности, влажности и степени измельчения горной массы, климатических условий и эффективности средств пылепо-давления. Характерной особенностью было значительное увеличение объемов выбрасываемых в атмосферу загрязняющих веществ по всем исследуемым предприятиям АО «ХК «СДС - Уголь»: от 649,938 до 5548,776 т в год по ООО «Шахта Ворошилова»; от 1115,592 до 7977,083 т в год по ООО «Шахта «Коксовая» и от 808,706 до 3993,247 т в год по ООО «Шахта «Зен-ковская».
В целом, в выбросах загрязняющих веществ в атмосферу преобладают газообразные, в составе которых, ранжируя в порядке убывания, можно выделить окись углерода, углеводороды и сернистый ангидрид и т.д. Подобная структура загрязняющих веществ характерна для большинства угледобывающих предприятий.
На горных отводах ООО «Шахта Ворошилова» и ООО «Шахта «Коксовая» расположены недействующие породные отвалы, выбросы которых представлены только неорганической пылью. В этой связи интересным оказалось сравнение годовых объемов выбросов твердых веществ с годовыми объемами выбросов твердых веществ от техногенных массивов. Так, по ООО «Шахта Ворошилова» выбросы твердых веществ от техногенных массивов в 2005 г. составили 1,16 т, или 0,96 % от общего объема выбросов твердых веществ, что на 0,47 т больше, чем в 2004 г. (0,69 т, или 0,51 %) и практически остались на уровне 1997 г. По ООО «Шахта «Коксовая» в 2005 г. объем выбросов твердых веществ от техногенных массивов составил 0,19 т, или 0,047 %, против 0,28 т в 2004 г., т.е. уменьшился на 0,09 т.
На горном отводе ООО «Шахта «Зенковская» расположен недействующий горящий террикон. Пуск отвала в эксплуатацию был осуществлен в 1950 г. По объему отвал составляет 834700 м , его высота 59 м, площадь основания 36300 м2, углы откосов 38...40о В настоящее время загрязняющие вещества от породного отвала представлены взвешенными веществами, сдуваемыми с поверхности, масса которых в 2005 г. составила 0,788 т/год, или 0,048 г/с, и газообразными веществами: Б02 - 3,99 т/год, СО2 - 39,95 т/год, N02 - 0,4 И^ - 2,0 т/год.
И если на всех промпредприятиях эти выбросы строго учитываются и контролируются, то на горящих породных отвалах никакого учета нет. В отношении СО2 на фоне его общего баланса в атмосфере отсутствие учета не вызывает особой тревоги, так как его поступление составляет, по расчетам авторов, 15,37 %.
_Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2016. Вып. 1_
Что касается SO2, являющегося токсичным газом, ухудшающим санитарно-гигиенические условия окружающей среды, учет этого ингредиента крайне необходим. По расчетам авторов, его выбросы от горящего недействующего террикона составили в 2005 г. 3,82 % (3,9 т) от общего объема выбросов 502, или сохранились на уровне 1997 г. Но несмотря на такую несущественную долю выбросов 502, следует отметить, что 1 т серы, содержащаяся в породной массе, при сгорании образует 2 т двуокиси серы. Если считать, что ежегодно перегорает около 1000 тыс. т породы с содержанием серы в ней до 1 %, то это эквивалентно образованию 20 тыс. т сернистого ангидрида. Для сравнения: суммарный выброс 502 всеми стационарными и передвижными источниками по Кузбассу составляет 160 тыс. т.
Исследования показали, что в структуре газообразных с 1997 г. по 2000 г. наибольшая доля приходилась на оксид углерода - от 61,85 до 91,64 %. К 2005 г. ситуация изменилась: большую часть составляют углеводороды - 88,82 %. Это стало возможным в связи с учетом в объеме выбросов газообразных метана.
Примечательно, что выбросы газообразных от террикона в 2005 г. составили 1,3 % от общего объема выбросов газообразных против 7,7 % в 1997 г.
Во все анализируемые года увеличение добычи угля приводило к возрастанию объемов, выбрасываемых в атмосферу загрязняющих веществ. При этом в 1997 г. по АО «ХК «СДС - Уголь» при добыче 6953,3 т соответствовал выброс 7797 усл. т/год загрязняющих веществ, а в 2005 г. при добыче 5112,5 т фактические выбросы загрязняющих веществ составили 33400,76 усл. т/год. То обстоятельство, что полученные связи (объем добычи - объем выбросов загрязняющих веществ) отличаются высокими коэффициентами корреляции (0,822...0,945), делает возможным их использование для предварительных прогнозов в эколого-экономических расчетах.
Оценка воздействия на состояние природных вод. Для оценки техногенного воздействия на водные ресурсы Кемеровской области были исследованы сбросы загрязняющих веществ шахт ООО «УК «Прокопьевск-уголь», расположенных в черте г. Прокопьевска (ООО «Шахта Ворошилова», ООО «Шахта «Коксовая» - в центральной части города) и имеющих на территории горных отводов техногенные массивы.
Согласно произведенным замерам, представленным в отчетности 2 ТП-(водхоз) за 1997 - 2005 гг., основная масса загрязняющих веществ по угледобывающим предприятиям АО «ХК «СДС - Уголь» представлена сухим остатком (97,82 %,) БПК (0,42 %), взвешенными веществами (1,76 %) и нефтепродуктами (0,004 %) .
Наибольший вклад в объем сброса загрязняющих веществ вносят ООО «Шахта Дзержинского» и ООО «Шахта «Тырганская». Лидирующее положение ООО «Шахта Дзержинского» в сбросе загрязняющих веществ объясняется ежегодным увеличением объема добычи и недостаточной эффективностью очистки загрязненных вод. В настоящее время уровень сброса загрязняющих веществ практически соответствует уровню 2000 г. и составляет 3169,62 тыс. т в год. Наименьший объем сброса загрязняющих веществ наблюдается по ООО «Шахта «Зиминка» и ООО «Шахта «Зенков-ская» и в среднем составляет 213 тыс. т. и 203,27 тыс. т соответственно. Данная ситуация имеет место вследствие своевременно полученного разрешения на ПДС и эффективной природоохранной деятельности предприятий на протяжении исследуемого периода.
Анализ загрязненных вод показал, что основным компонентом загрязнения является сухой остаток, который по шахтам АО «ХК «СДС -Уголь» составляет 97,82 % от общей массы загрязняющих веществ (по ООО «Шахта «Зенковская» - 98,60 %; ООО «Шахта Ворошилова» - 97,61 %; ООО «Шахта Дзержинского» - 96,54 %, ООО «Шахта «Тырганская» -99,36 %; ООО «Шахта «Зиминка» - 99,49 %) .
Ситуация по сбросу сухого остатка аналогична сбросу суммарного загрязнения, так как сухой остаток составляет основную долю (более 90 %) в общем объеме загрязняющих веществ. Однако на фоне снижения общего объема сухого остатка по АО «ХК «СДС - Уголь» по шахте «Ворошилова» объем сброса исследуемого загрязняющего вещества увеличился с 58,9 тыс. т в 1997 г. до 1254,7 тыс. т в 2005 г., т.е. в 21 раз. Такое увеличение уровня загрязнения природных вод стало возможным по многим причинам, к основным из которых, можно отнести: переход угольного производства на гидравлический способ добычи в 2001 г., увеличение объема добычи полезного ископаемого и невыполнение комплекса природоохранных мероприятий по очистке природных вод.
Наименьший объем сброса по сухому остатку наблюдается по ООО «Шахта «Зенковская» и ООО «Шахта «Зиминка» (в среднем 161,57 тыс. т и 317,8 тыс. т соответственно), что свидетельствует о стабильности и эффективности работы в части выполнения природоохранных мероприятий по охране вод на указанных предприятиях.
По результатам проведенных исследований на наличие загрязняющих веществ в грунтовых и подземных водах можно сделать следующие сообщения: содержание БПК в общем объеме загрязняющих веществ по ООО «Прокопьевскуголь» начиная с 1997 г. уменьшилось с 1,34 до 0,42 % к 2005 г.
В частности, по ООО «Шахта Дзержинского» объем сброса БПК по сравнению с 1997 г. снизился до 18,86 тыс. т, или в 2 раза, по ООО «Шахта «Тырганская» снижение объема сброса БПК на протяжении 1997 - 2005 гг. произошло с 15,5 до 3,76 тыс. т, т.е. в 4,5 раза.
11
_Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2016. Вып. 1_
По ООО «Шахта Ворошилова» на протяжении трех лет с начала исследуемого периода ярко выражена тенденция стабильности уровня загрязнения рассматриваемым компонентом в пределах 4,8...4,7 тыс. т. Однако, несмотря на то, что в 2000 - 2001 гг. наблюдался рост объема сброса БПК (с 10,7 до 20,8 тыс. т.), угледобывающее предприятие сумело к 2004 г. по загрязненнию природных вод выйти на уровень 1997 г. (4,74 тыс. т.).
По ООО «Шахта «Зенковская» и ООО «Шахта «Зиминка» на протяжении исследуемого периода наблюдается устойчивая тенденция к снижению уровня загрязнения природных вод исследуемым ингредиентом: он изменялся с 2,09 до 0,49 тыс. т и с 2,95 до 2,13 тыс. т. соответственно.
Качественная и количественная оценка сброса загрязняющих веществ шахтами ООО «УК «Прокопьевскуголь» показывает, что уменьшились сбросы БПК в 4,4 раза, взвешенных веществ в 2,1 раза, сухого остатка в 1,3 раза, нефтепродуктов в 2,2 раза. Суммарный сброс загрязняющих веществ в целом снизился в 1,4 раза. Такое уменьшение сбросов объясняется снижением угледобычи при ведении очистных работ. В целом, по АО «ХК «СДС - Уголь» объемы добычи угля с 6953,3 тыс. т снизились до 5112,5 тыс. т в 2005 г., или в 1,4 раза.
На графике черной линией показана линия тренда падения объемов добычи угля. Угледобывающие предприятия ООО «УК «Прокопьевск-уголь», такие, как ООО «Шахта «Зенковская», «Шахта Ворошилова», «Шахта Дзержинского», «Шахта «Тырганская», «Шахта «Зиминка», осуществляют сброс загрязненных вод в реку Аба. Согласно классификации, представленной учеными института угля и углехимии СО РАН, по загрязненности природных вод воды реки Аба в 1997 г. можно характеризовать как грязные V класса, в 1998 - 1999 гг. - как загрязненные IV класса. Таким образом, при ведении горных работ в подземных водах, находящихся в области техногенного воздействия, могут формироваться гидрогеохимические ореолы загрязнения различной контрастности. Степень загрязнения зависит от количества и свойств складированных отходов, уровня природной и технической защищенности подземных вод, интенсивности процессов физико-химической метаморфизации природных вод и климатических характеристик района [16 - 17].
Состояния техногенного ландшафта. В настоящее время в Кемеровской области площадь земель, нарушенных угледобычей, составляет более 70 тыс. га. При ведении горных работ выдача на поверхность огромной массы горных пород (по Кузбассу более 8 млрд м3) приводит к оседанию земной поверхности, образованию депрессионных воронок и разрушению сложившихся биоценозов. Внешний вид породных отвалов Кузбасса показан на рис. 5 - 8.
Рис. 5. Породный отвал ООО «Шахта «Зиминка»
Рис. 6. Породный отвал ООО «Шахта «Зиминка»
В условиях Кузбасса основными типами нарушенных земель являются: карьерные выемки и сопутствующие им внутренние и внешние породные отвалы, формирующиеся при открытой добыче угля; поверхности с преобладанием провальных форм рельефа (мульды проседания, провалы, трещины, оползни), отвалы, возникающие при подземно-шахтной добыче угля; отвалы и хвостохранилища отходов обогащения угля.
Рис. 7. Отвал на территории шахты после отработки целика
под р. Тайба
Рис. 8. Внутренний отвал ШУ «Майское.»
Общая площадь депрессионных воронок в регионе достигает 2 тыс. км, ежегодно под угольные разработки отторгается около 1,5 тыс. га, площадь нарушенных земель увеличивается на 70 тыс. га. Под промышленными отвалами, золошламонакопителями, шламохранилища-ми, хвосто-
14
хранилищами и свалками бытовых отходов в области занято около 50 тыс. га. По прогнозам специалистов Института угля и углехимии, до 2020 года площадь нарушенных земель увеличится еще на 20 тыс. га. При этом площадь рекультивированных земель. составила только 182,5 га, или 19,6 % от общей площади нарушенных земель. Из них рекультивированно под пашни 10,8 га, под сельскохозяйственные угодья - 78 га, под лесные насаждения - 73,3 га, водоемы и др. - 20,5 га. Показатели ежегодно рекультивируемых земель начиная с 1997 г. имеют ярко выраженную тенденцию к их снижению, как и площади ежегодно нарушаемых земель, для которых с 2001 г. тоже характерна эта динамика.
Анализ данных показал, что в целом, по АО «ХК «СДС - Уголь» с площади нарушенных земель, несмотря на их уменьшение, значительным образом (в 4 - 5 раз, а в 2002 г. в 12 раз) превышают площади рекультивированных земель. При сопоставлении показателей ежегодно нарушаемых и ежегодно рекультивируемых площадей земель, очевидно, что темпы рекультивации существенным образом отстают от темпов нарушения (80,7 га в 2001 г.; 29,5 га в 2005 г.) и деградации земель. Это объясняется нерациональной технологией горных работ и объективными факторами, связанными с условиями разработки месторождений. Причинами низких темпов рекультивации являются, с одной стороны, сложные горно-геологические условия, определяющие длительный срок эксплуатации месторождений, а с другой - несовершенство правового регулирования процессов рекультивации, слабый государственный контроль, что позволяет горнодобывающим предприятиям уклоняться от ответственности за восстановление нарушенных земель.
Оценка фактической техногенной нагрузки и экологического состояния почвенного покрова в современных условиях представляет серьезные трудности, поскольку государственной статистической отчетности о химическом и ином загрязнении почвенного покрова не существует. Исключительно разрозненное представление о загрязнении почвенного покрова можно получить по данным ежегодных обобщений, выполнявшихся упраздненными ныне областными (краевыми) комитетами по охране окружающей среды. Поэтому для оценки уровня загрязнения почвенного покрова использовались материалы ежегодной статистической отчетности по образованию, использованию, обезвреживанию, транспортированию и размещению отходов производства и потребления по шахтам АО «ХК «СДС - Уголь».
Анализ этих материалов показал, что в процессе производства, например, по ООО «Шахта Ворошилова» образовалось 134823,077 т отходов, из них 1-го класса опасности - 0,003 т, 2-го класса опасности отходов нет, 3-го класса опасности - 8,01 т, 4-го класса опасности - 82776,902 т, 5-го класса опасности - 52038,162 т, из них 51983,78 т - отходы от добычи уг-
15
ля. Из общего объема образованных отходов обезвреживается 8,502 т, передано другим организациям для использования 82628,282 т и использовано самим предприятием 52198,190 т.
При разработке угольных залежей сложной структуры, особенно тонкослоевых, имеет место значительное засорение угля породой в результате вовлечения в продуктивную угольную толщу пород междупла-стий достаточно большой мощности, низкая степень селекции, разубожи-вание угля при производстве буровзрывных работ и отработке контакта породы и угля. Достаточно большая часть угля смешивается с вскрышными породами и вывозится в отвал.
Анализ технико-экономических показателей ведения горных работ и расчетных технологических показателей, позволяющих оценить полноту и комплексность использования добываемого минерального сырья по таким предприятиям, как ООО «Шахта «Зенковская», ООО «Шахта «Коксовая», ООО «Шахта Ворошилова» АО «ХК «СДС - Уголь» показал, что индекс рациональности использования минеральных ресурсов на протяжении исследуемого периода изменялся от 77,55 до 98,77 %. Самый высокий показатель рациональности достигнут ООО «Шахта «Коксовая» в 1999 г. -98,97 %. В настоящее время этот показатель по ООО «Шахта «Коксовая» составляет 95,99 % и является наиболее высоким по сравнению с другими угледобывающими предприятиями ООО «УК «Прокопьевскуголь». Показатель комплексности по трем угледобываю-щим предприятиям АО «ХК «СДС - Уголь» изменялся от 55,1 до 78,2 %.
Комплексное использование ресурсов показывает эффект от производства и потребления дополнительной продукции, экономию затрат на нейтрализацию вредного воздействия отходов на окружающую среду, экономию затрат при замене природного сырья вторичным, а также позволяет достигать экономии затрат на воспроизводство природных ресурсов. Коэффициент безотходности по исследуемым угледобывающим предприятиям ООО «Шахта «Коксовая», ООО «Шахта Ворошилова» и ООО «Шахта «Зенковская» очень высок.
Этот факт свидетельствует об эффективном использовании отходов угледобывающего производства на исследуемых предприятиях. Коэффициент безотходности достаточно высок и может достигать 100 %, как правило, на тех горнодобывающих предприятиях, где добыча угля осуществляется гидравлическим способом, и отходы производства полностью используются для закладки выработанного пространства. Однако такая ситуация характерна не для всех предприятий угледобывающей отрасли. Необходимость наращивания объемов добычи угля в Кузбассе приводит к образованию и складированию новых объемов твердых минеральных отходов в промышленном теплоэнергетическом и угольном комплексе не менее 4,5...5,0 млн т.
_Экология_
В ближайшем будущем в связи с разработкой более насыщенных зольным материалом угольных пластов и ростом добычи поток твердых отходов от переработки углей увеличится. Таких отходов в состоянии длительного хранения (30 - 60 лет и более) накоплено в Кузбассе не менее 200...250 млн т. Эффективная промышленная переработка этих отходов не производится.
Таким образом, наблюдается значительное отставание объемов использования от общих объемов образующихся отходов, что способствует их систематическому накоплению в местах складирования и хранения и, тем самым, созданию предпосылок к возникновению чрезвычайных экологических ситуаций.
Загрязнение территорий горных отводов породными отвалами ликвидируемых шахт Восточного Донбасса. Внешний вид породных отвалов Восточного Донбасса представлен на рис. 9. На территории Шахтинского угольного района проведена тепловая съёмка, экспресс-анализ газа и радиационный контроль семи породных отвалов трех шахт.
По результатам съемки выявлен горящий отвал №1 ЦОФ шахты «Аютинская» с общей площадью очагов горения 6,73 га. Отвал расположен в непосредственной близости от жилого сектора пос. Аютинский (г. Шахты). Радиационный контроль на отвалах проводился в соответствии с «Методическими указаниями и Нормами радиационной безопасности» (НРБ-99, СП 2.6.1. 758-99).
По результатам радиационной съемки гамма-фон породных отвалов составил 0,10...0,23 мкЗв/ч, что не превышает установленных НРБ-99 норм радиационной безопасности (0,43 мкЗв/ч).
Для оценки загрязненности почв токсичными элементами произведен отбор проб почвы на территориях (площадью 216 га), примыкающих к 5 породным отвалам ШУ «Мирное». Отобрано 176 проб для определения содержаний подвижных форм следующих микроэлементов: V, Cd, Co, Mn, М, Pb, Ti, Cr, Zn. Отбор проб производился с привязкой точек отбора GPS-навигатором.
Полученные результаты позволили определить степень литохими-ческого загрязнения почвы в радиусе 300...500 м вокруг отвалов. Результаты обработки лабораторных анализов проб, отобранных у пяти отвалов, свидетельствует о том, что по трем объектам категория загрязнения допустимая, по двум опасная. Из двух опасных объектов один находится в жилом секторе г. Шахты. По результатам опробования построены карты литохимического загрязнения почв вокруг породного отвала №5 бис шахты №47 ШУ «Мирное» (рис. 10).
_Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2016. Вып. 1_
Исследования показывают, что основным источником загрязнений почв и грунтов вокруг породных отвалов являются породы отложений карбона, строительный и бытовой мусор. Ореол загрязнения распространяется в сторону промплощадок и близок по форме к «розе ветров» для данного района. Обработка результатов продолжается [17-19].
По результатам замеров температуры на семи породных отвалах выявлен один горящий - породный отвал №1 ЦОФ шахты «Аютинская», расположенный в жилом секторе пос. Аютинский (г. Шахты.). Выполненное литохимическое опробование и лабораторный анализ почв и грунтов вокруг пяти породных отвалов ликвидируемого шахтоуправления «Мирное» на площади 216,0 га свидетельствуют о том, что по двум объектам из пяти категория загрязнения почв - опасная. Один из двух опасных объектов - породный отвал №5 бис шахты № 47 - находится в жилом секторе г. Шахты. На территории Шахтинского угольного района в течение III квартала 2008 г. было ликвидировано девять провалов земной поверхности общим объемом 5493 м3, в том числе дефекты изоляции вентиляционного и технологического каналов, чем обеспечена безопасность жизнедеятельности местного населения.
Рис. 9. Породные отвалы угольных шахт Восточного Донбасса
18
КАРТА
степени литохимического загрязнения почв на площади вокруг породного отвала №5бис шахты №47 ШУ "Мирное" г.Шахты М 1:5000
отвал №5 шахты №47
отвал №5бис шахты'1
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
Черезвычайно опасная категория загрязнения почв (СПТЗ- более 128) Опасная категория загрязнения почв (СПТЗ- от 32 до 128)
Умеренно опасная категория загрязнения почв (СПТЗ- от16 до 32) Допустимая категория загрязнения почв (СПТЗ- менее 16)
2° № точки отбора проб
49,8 суммарный показатель токсического загрязнения
Основные элементы загрязнения в рамках границы опробования -Мп, Си, М, РЬ, Zn.
Рис. 10. Карта литохимического загрязнения почв вокруг породного отвала №5 бис шахты №47 ШУ «Мирное»
Анализ результатов литохимического опробования по семи промп-лощадкам позволяет утверждать, что на трех объектах категория суммарного загрязнения - допустимая, на двух - умеренно опасная, на одном опасная (промплощадка шурфа №8 шахты «Южная») и на одном чрезвычайно опасная (промплощадка скважины Бессергеневской шахты им. Октябрьской революции). Вышеупомянутые объекты находятся вне жилого сектора. Работы по исследованию почв на горных отводах ликвидируемых
_Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2016. Вып. 1_
шахт будут продолжены с последующим созданием литохимических карт загрязнения почв, которые лягут в основу рабочих проектов рекультивации нарушенных земель.
В соответствии с рабочим проектом «Мониторинг за загрязнением больших и малых рек Ростовской области техногенными водами ликвидированных шахт Восточного Донбасса» продолжаются работы по гидрологическому мониторингу на 17 больших и малых реках Ростовской области, загрязняемых техногенными водами ликвидируемых шахт [20].
Кроме того, Центром мониторинга реализованы мероприятия по направлению «Ликвидация последствий влияния ведения горных работ» в части рекультивации нарушенных горным производством земель, ликвидации провалов и технологических каналов.
Список литературы
1. Качурин Н.М., Белая Л.А., Корчагина Т.В. Геоэкологический мониторинг и оценка воздействия на окружающую среду горнопромышленного региона // Известия вузов. Горный журнал. 2010. № 6. С. 32-37.
2. Качурин Н.М., Воробьев С.А., Факторович В.В. Теоретические положения и прогнозы воздействия на окружающую среду подземной добычи полезных ископаемых // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2013. Вып. 3. С. 45 - 57.
3. Качурин Н.М., Воробьев С. А., Факторович В.В. Оценка геоэкологических последствий подземной добычи полезных ископаемых // VI International Geomechanical Conference «Federation of the Scientific Engineering Unions in Bulgaria». Varna, 2014. P. 323 - 331.
4. Перспективы экологически безопасного использования отходов производства на территориях горнодобывающих регионов / Н.М. Качурин и [др.] // Безопасность труда в промышленности. 2014. № 9. С. 81-84.
5. Экологически безопасная геотехнология комплексного освоения месторождений бурого угля / Н.М Качурин. и [др.] // Безопасность труда в промышленности. 2014. №10. С. 65 - 70.
6. Качурин Н.М., Комиссаров М.С., Королева О.С. Прогноз загрязнения приземного слоя атмосферы горнодобывающими предприятиями // Безопасность жизнедеятельности. 2012. № 12. С. 28-34.
7. Качурин Н.М., Комиссаров М.С., Королева О.С. Математическое моделирование загрязнения воздуха в приземном слое предприятиями минерально-сырьевого комплекса // Изв. вузов. Горный журнал. 2012. № 4. С. 46 - 50.
8. Качурин Н.М., Комиссаров М.С., Королева О.С. Диффузия пыле-газовых примесей в атмосфере от точечного источника загрязнения воздуха // Изв. вузов. Горный журнал. 2012. № 5. С. 73 - 79.
20
9. Экологические последствия закрытия угольных шахт Кузбасса по газодинамическому фактору и опасности эндогенных пожаров на отвалах / Н.М. Качурин и [др.] // Экология и промышленность России. 2015. Т. 19. № 4. С. 54 - 58.
10. Распределение ресурсов на профилактику загрязнения атмосферы горнопромышленного района / Н.М. Качурин и [др.] // Безопасность труда в промышленности. №2. 2015. C. 24 - 27.
11. Оценка предельно допустимых пылегазовых выбросов горных предприятий в атмосферу / Н.М. Качурин и [др.] // Безопасность труда в промышленности. №3. 2015. C. 36 - 39.
12. Математическое моделирование предельно допустимых пылегазовых выбросов горных предприятий в атмосферу / Н.М. Качурин и [др.] // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2014. Вып. 4. С. 10 - 16.
13. Kachurin Nikolai M., Vorobev Sergei A., Bogdanov Sergei M.: Evaluating Polluting Atmosphere by Mining Enterprises and Optimizing Prophylactic Measures Resources // 5th International Symposium MINING AND ENVIRONMENTAL PROTECTION 10 - 13. June 2015.Vrdnik. Serbia, 2015. P. 135 - 140.
14. Environmental Danger of Worked and Liquidated Coal Mines Open Areas / Nikolai M. Kachurin, Sergei A. Vorobev, Dimitryi N. Shkuratckiy, Sergei M. Bogdanov // 5th International Symposium MINING AND ENVIRONMENTAL PROTECTION 10 - 13. June 2015. Vrdnik. Serbia. 2015. P. 141 - 149.
15. Качурин Н. М., Ефимов В. И., Воробьев С. А. Методика прогнозирования экологических последствий подземной добычи угля в России // Горный журнал. 2014. №9. С. 138 - 142.
16. Scientific and practical results of monitoring of anthropogenic influence on mining-industrial territories environment / N.M. Kachurin, S.A. Vorobev, T.V. Korchagina, R.V. Sidorov // Eurasian Mining. 2014. №2. P. 44 - 48.
17. Evaluating of closed mines mining lease territories environmental safety by gas factor / N.M. Kachurin, V.I. Efimov, S.A. Vorobev, D.N. Shkuratckiy // Eurasian Mining. 2014. №2. P. 41- 44.
18. Качурин Н.М., Калаева С.З., Воробьев С. А. Получение магнитных жидкостей из отходов // Обогащение руд. 2015. №2. С.47 - 52.
19. Kachurin Nikolai M., Komissarov Maxim S., Ageeva Irina V. Foundations and results of the monitoring environmental parameters // 3rd International Symposium Energy Mining 2010 «Energy mining, new technologies, sustainable development». Apatin. Serbia, 2010. P. 39-45.
_Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2016. Вып. 1_
20. Kachurin Nikolai M., Komissarov Maxim S., Ageeva Irina V. Using energetic indexes for evaluating anthropogenic influence upon environment // 3rd International Symposium Energy Mining 2010 «Energy mining, new technologies, sustainable development». Apatin. Serbia 2010. P. 46-52.
21. Kachurin N.M., Efimov V.I., Komissarov M.S. Construction materials made of mining wastes // International Symposium Sustainable Development of Mining and Energy Industry ORRE'11. Zlatibor, 2011. P. 248-256.
22. Kachurin N.M., Efimov V.I., Komissarov M.S. Geotechnological system of using industrial and consumption wastes in territory of mining regions / International Symposium Sustainable Development of Mining and Energy Industry ORRE'11. Zlatibor, 2011. P. 409-420.
23. Методические принципы и системный подход к обращению отходами производства и потребления на территориях угледобывающих регионов / Н.М. Качурин и [др.] // Проблемы безопасности и эффективности освоения георесурсов в современных условиях / ФБГУН «Горный институт» УрОРАН. Пермь, 2014. С. 123 - 127.
24. Методические положения экологического мониторинга параметров окружающей среды при добыче полезных ископаемых / Н.М. Качурин и [др.] // Проблемы безопасности и эффективности освоения георесурсов в современных условиях / ФБГУН «Горный институт» УрОРАН. Пермь, 2014. С. 128 - 133.
25. Качурин Н.М., Рыбак Л. Л., Рыбак В. Л. Эколого-экономическая оценка и мониторинг последствий подземной добычи угля // Экономика XXI века: инновации, инвестиции, образование. 2013. №1. С. 54 - 60.
Калаева Сахиба Зияддин кзы, канд. техн. наук, доц., volodinni@)ystu.ru, Россия, Ярославль, Ярославский государственный технический университет,
Богданов Сергей Маратович, асп., galina_stas@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Лукин Никита Олегович, асп., galina_stas@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Огер Алексей Александрович, асп., galina stas@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
WASTE DUMPS OF RUSSIAN COAL MINES S.Z. Kalaeva, S.M. Bogdanov, N.O. Lukin, A.A. Oger
Results of field observations in forming waste dumps Kuznetck Basin, East Donetsk Basin and Moscow Coal Basin were generalized. Basic factors of influencing waste dumps upon environment were shown. It's noted that basic measures by providing environmental safety are utilization of waste dumps substance and environmental monitoring influencing waste dumps upon atmosphere, soils and hydrosphere.
22
Key words: waste dump, mine, lithosphere-chemical polluting, dust, gas pollutants, liquid wastes, atmosphere, hydrosphere, soil.
Kalaeva Sahiba Ziydin Kzi, candidate of technical sciences, docent, volodin-ni@)ystu.ru, Russia, Yaroslavl, Yaroslavl State Technical University,
Bogdanov Sergei Maratovich, postgraduate, galina_stas@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Lukin Nikita Olegovich, postgraduate, galina stas@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Oger Alexei Alexandrovich, postgraduate, galina_stas@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 622.4:622.271.45:622.33.012.2
АЭРОДИНАМИКА ПОРОДНЫХ ОТВАЛОВ УГОЛЬНЫХ ШАХТ
Н.М. Качурин, Г.В. Стась, А. Д. Левин, В. Л. Рыбак
Моделирование аэродинамических процессов при обтекании породных отвалов основывается в общем случае на системе уравнений О. Рейнольдса, описывающей течение вязкого, сжимаемого теплопроводного газа в трехмерной постановке. Показано, что дискретизация уравнений движения осуществляется методом конечных объемов. Для описания распределения узлов внутри сеточной подобласти вводится понятие потокового элемента, который по своей сути является конечным элементов и на котором определены функции формы конечного элемента.
Ключевые слова: породный отвал, уравнения движения, воздушный поток, метод конечных элементов, турбулентность, математическая модель.
Моделирование движения воздуха при обтекании породных отвалов действующих и ликвидированных угольных шахт становится одним из основных методов анализа качества предлагаемых экологических решений по защите окружающей среды от вредных воздействий отвалов [1 - 2]. Моделирование аэрогазодинамических процессов при обтекании породных отвалов основывается в общем случае на системе уравнений О. Рей-нольдса и уравнения неразрывности, описывающих течение вязкого, сжимаемого теплопроводного газа в трехмерной постановке, которая состоит из следующих основных уравнений сохранения [3 - 5]:
^р +йу (ру ) = 0, (1)
