CC BY
19
Таким образом, в акватории шлалюхранилищ существует сложная открытая гидрогеохимичео.а система, стремящаяся х равновесию. Верхняя граница шламов - резко окислительные услов<ва (основной окислитель - кислород атмосферного воздуха), средняя зона - переходная, и Здess имеют место все перечисленные выше процессы, нижняя граница совпадает с началом слоя тверл-а шламов, и здесь условия резко восстановительные (благодаря сероводороду). С\ой твердых шламе« создает дополнительное фильтрационное сопротивление жидкой фазе, и это препятствие увеличивает время и степень взаимодействия жидкой и твердой фаз. Известно, что при начальной конце>гграции I тяжелых металлов в жидкой фазе менее 20 мг/дм куб. взаимодействие с твердой фазой идет гон типу хемосорбции и описывается уравнением Генри. Опытным путем были получены следующие! значения коэффициентов распределения (констант Генри) для ионов меди 23-29, цинка 15-1". кадмия 16-18, мышьяка 7-9. Если принять за условие, что реакции катионного обмена междя фазами протекают быстро и обратимо, а концентрация адсорбируемого катиона меньше концентрации того же катиона в растворе, то скорость продвижения фронта адсорбируемого катиона снижается на [1 + (р/п)к], где р - плотность твердых шлал*ов, п - их пористость, к - коэффициент распределения, а само выражение носит название фактора замедления, учитывающего все процессы физико-химического взаимодействия фаз. Например, для меди фактор замедления имеет значен; 140-300. Это означает, что ионы меди в данных условиях задерживаются в слое твердых шламов. и концентрация их на выходе снижается в 140-300 рази 1 j.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Дривер Дж. Геохимия природных вод - М: Мир, 19S5. - 438 с
2. Моделирование гидро геохимических процессов и научные основы гидрогсохимических прогнозов: Сборник статей. - М.: Наука, 1985. - 150 с.
3. Мусакин А.П. Таблиш»! и схемы аналитической химии. - Л.: Химия, 1971. - 125 с.
4. Тютю но ка ф.И. Прогноз качества подземных вод в связи с их охраной от загрязнения.-М.. Наука, 1978. - 204 с.
УЛК 622.276.5
Л.В.Макаров
ПРОБЛЕМЫ РАЗВЕДКИ И ОСВОЕНИЯ ТЕХНОГЕННЫХ ОБРАЗОВАНИЙ
Во многих регионах России с интенсивным промышленным и сельскохозяйственным производством скопились многочисленные техногенные образования, которые представлены различными отходами органического и неорганического происхождения как в твердом, так и в жидком виде. Техногенные образовавгия занимают значительные площади полезных земель, оказывают существенное негативное влияние на окружающую среду и обусловливают принятие специальных мероприятий по предупреждению чрезвычайных экологических происшествий.
Для настоящего времени характерно интегрирование экономики России в мировую хозяйственную систему и переход от авторитарной, экстенсивной экономики к рыночной. Это обусловило необходимость глубокого реформирования всей хозяйственной системы России. Возникла потребность провести инвентаризацию всех техногенных образований. Сведения по техногенным месторождениям, характеризующие количество и качество полезных ископаемых в них, горнотехнические, гидрогеологические и экологические условия разработки месторождений, а также их геолого-экономическую оценку, вносятся в областной кадастр месторождений и проявлений полезных ископаемых. Сведения по другим техногенным образованиям, включая свалки бьгговых отходов, должны быть у администрации города, населенного пункта, области. Каждая, даже не санкционированная, свалка должна иметь хозяина, который будет сортировать отходы, производить из них товары народного потребления, а неиспользованную часть отходов захоронять. В странах с развитой рыночной экономикой переработка техногенных образований является экономически рентабельной, если еще учитывать, что за прием отходов с их владельца взимается приемлемая
206
плата. Размер платы зависит от состояния отходов. Поэтому в ряде стран (например, Германия, Япония) экономически выгодно бытовой мусор сортировать по 8-10 компонентам еще в квартирах и домах: макулатура, битое стекло, картонные упаковки, деревянная тара, ткани и т.д. Современный уровень развития техники и ресурсосберегающих технологий позволяет, например, из макулатуры вновь изготовить качественную бумагу, а оставшуюся часть использовать для получения топлива для двигателей внутреннего сгорания. Учитывая современные цены на бензин и трудность его доставки в отдаленные районы России, очевидна потребность в малогабаритных и транспортабельных установках для производства топлива из отходов растительного производства.
Если обратиться к зарубежному опыту, то нетрудно убедиться, что в развитых странах с высокой плотностью населения предприятия стали экологически чистыми потому, что их хозяева вынуждены были это сделать, чтобы не разориться. Природоохранное законодательство в таких странах весьма строгое, и оно неукоснительно соблюдается. Нарушителям не удается уйти от ответственности.
При решении проблем разработки различных техногенных образований в России нередко преобладает "иллюзия легкости". Что же здесь думать, тем более затрачивать средства на разведку техногенных образований: устанавливай технику и отбирай отложения с края или сверху и перерабатывай. Однако такой подход не дал положительных результатов, а способствовал дискредитации идеи экономически выгодного освоения техногенных месторождений и существенного сокращения занимаемых ими площадей.
Действительно, техногенные образования по своей структуре, физическим и химическим свойствам настолько специфичны и разнообразны, что требуется полное и качественное выполнение всех этапов разведки и подготовки техногенных образований к их разработке. Такое требование особенно актуально для образований, возникших много лет назад, например, в начале века, и законсервированных. Для этих техногенных образований в условиях Урала характерны признаки "древности", выположенность, задернованность, закрытость растительностью и залесенность. За время своего существования, как свидетельствует практика работ, техногенные образования значительно изменились по структуре и свойствам.
При решении проблем разведки и разработки техногенных образований может быть использован опыт геологоразведочных организаций и небольших горнодобывающих предприятий по разведке и разработке месторождений полезных ископаемых, наиболее близких по ряду геолого-промышленных параметров к техногенным образованиям.
Приведем краткую характеристику этапов разведки и подготовки техногенных образований к их разработке; определим задачи, решаемые с помощью буровых работ на данных этапах.
Поисково-оценочная стадия работ
До постановки разведочных работ на техногенном образовании, которое формировалось длительное время за счет произвольного размещения материалов, без учета последующего освоения техногенного образования, по имеющимся материалам и по результатам геологической и геофизической съемки дается поэлементный состав техногенного образования, прогнозная оценка количества и качества полезных компонентов в объекте исследования, дифференциация и геометризация запасов техногенного образования.
По результатам исследований поисково-оценочной стадии работ составляются прогнозные карты и разрезы, обосновывается прогнозная оценка перспективности освоения данного техногенного образования с учетом технологических, экологических и экономических факторов. Материалы поисково-оценочной стадии работ с положительной прогнозной оценкой являются обоснованием постановки следующей стадии работ.
Разведка техногенного образования
В результате выполненных работ на данной стадии должны быть получены следующие сведения: площадь и мощность залегания отложений, их объем и масса. Составлены карты и разрезы техногенных образований. Определение зоны выноса отдельных компонентов, в особенности токсичных, как до разработки техногенных образований, так и прогноз для процесса разработки. Гидрогеологические сведения о ложе образований.
Характеризуя отложения, следует указать: однородные они или нет, органического ид» неорганического происхождения, в твердом или в жидком виде с учетом времени го__ санкционированные или нет, действующие или закрытые, возобновляемые естественным ттг* или нет, многолетние или. современные, расположены под земной поверхностью или под днсл водоемов и рек.
Кроме того, разведочные работы также должны дать необходимую информацию о физическчг и химических свойствах техногенных образований. Например, химический состав основньд компонентов, их плотность, влажность, термостойкость, теплота сгорания, пластичность, твердости пористость, проницаемость.
Следует помнить, что современные геохимические процессы в насыпных грунтах - уг; своеобразная реакция геологической среды на техногенное воздействие. Такие процессы болег динамичны по сравне}{ию с классическими, геологическими. За 20-30 лет в насыпных грунта? существенно изменяется минеральный состав, а также водный баланс. Следовательно, изменяется механизм тепло- и влагапереноса. Геохимические процессы - еамоп}х>извсльные процессы; протекахг-в направлении уменьшения свободной энергии, с понижением энергетического уровня геотехнических систем [2]. Этим обусловлена необходимость проведения разведочных работ лг начала разработки техногенного образования.
Например, золоотвалы тепловых электростагщий занимают плоцядь 2-3 км:, по периметру имеют дамбы из суглинистого и песчаного грунтов высотою 8-10 м. Золоотвал эксплуатируется десятки лет, до заполнения. Зола является остатком от полного сжигания топлива; в основном представлена различными окислами: железа, алюминия, кремния, кальция, магния, натрия, калия, а также серы и различных микроэлементов.
На этом этапе работы оценивается современное состояние дамб, ложа золоотвала: влияние фильтрационных вод золоотвала на водную систему данного района, а также загрязнения территории аэрозолями в случае пыле ни я золоотвала. При необходимости предусчш-ривается бурение скважин по дамбе и в теле золоотвала по радиальным линиям. Отбор образцов грунта из дамбы и золы из отвалов производится согласно действующим стандартам. На золоогвале и в зоне его влияния сооружается серия наблюдательных скважин д\я контроля за уровнем грунтовых вод. для наблюдения за химическим составом и динамикой подземных вод. В случае угрозы затопления жилого массива или плодородных земель при внезапном прорыве дамбы з ее теле также сооружаются наблюдательные скважины для контроля за напряженным состоянием и деформациями массива Это позволит заблаговременно дать прогноз чрезвычайной экологической ситуации и принять необходилше мерь: по ее предупреждению, в крайнем случае, по значительному снижению масштаба и негативных последствий прорыва.
Результаты выполненных работ по разведке техногенных образований представляются в виде отчета, например [6], где приведена производственная характеристика акционерного общества открытого типа "Челябинский электрометаллургический комбинат ", строение и состав его производственных отходов, которые сосредоточиваются в шлаковом отвале и в шламонакопителе. По данным буревых работ в разрезе тела отвала, который функционирует с 1931 года, каменистые шлаки чередуются с саморассыпающимися шлаками и с пылями различных производств. В шламонакопитель поступают стоки производств и ливневые стоки. После отстоя и осаждения твердой фазы стоков осветленная вода подается в оборотный цикл для технических целей.
По результатам комплексного исследования отходов промышленных производств АООТ "ЧЭМК", выполненного в Испытательном центре УГГГА, в работе [6| предложены направления использования и перспективы переработки техногенных образований АООТ "ЧЭМК'.
Опубликование результатов исследований по наиболее крупным, перспективным техногенным образовать ям позволяет всем заинтересованным предприятиям с разной формой собсгвешюсти принять участие в конкурсе на право их разработки.
Лабораторные исследования. Моделирование процесса разработки техногенных образований
На стадии лабораторных исследований на специальных стендах проводится сортировка и классификация по крупности материалов. В случае необходимости на альтернативной основе выбираются способы разрыхления, дробления, обеззараживания, орошения; подбор реагентов,
208
поверхностно-активных веществ и катализаторов; определяется степень извлечения полезных компонентов и технология получения товарного продукта, имеющего спрос на рынке. Даются рекомендации по оптимизации режимов работы технологических линий, определяется продолжительность отдельных операций.
На этой стадии целесообразно широко использовать известные достижения в области моделирования различных процессов: математическое, гидрогеологическое и т.д.
В качестве примера рассмотрим гидролизный лигнин - отходы производства спирта в заводских условиях из древесины хвойных и лиственных пород. Элементарный состав лигнина: углерод -60-65%; водород - 5-6%, а также сера - 0,2-0.3%. Лигнин содержит фенольные гидроксиль:, карбонильную группу СО и меток силы ОСН у Плотность лигнина примерно 1,40 г/см5. Наиболее крупные частицы лигнина, выброшенные из гидроциклона, около 1 см.
На стадии лабораторных исследований могут быть проанализированы два варианта.
Первый вариант. Захоронение лигнина после проведения необходимого комплекса инженерно-геологических мероприятий по обеспечению экологической безопасности захоронения.
Второй вариант. Использование лигнина как сырья при производстве необходимой продукции или, в крайнем случае, как добавки в топливо. В настоящее время широко используются котлы д\я получения тепловой энергии, в которых сжигается различный мусор, в том числе и с бытовых свалок. В этом случае придется соблюдать известные мероприятия по безопасным методам эксплуатации котлов, изложенные в должностных инструкциях для инженерно-технических работников, в частности, по предупреждению взрывов.
% По результатам исследований выбирается наиболее экономичный вариа1гг в каждом конкретном случае для дальнейшей проработки.
Проектные обоснования технологических процессов
На этом этапе дается проектное обоснование выбранной технологической линии по переработке техногенного образования, подбирается необходимое оборудование: решаются проблемы контроля, управления и оптимизации технолоп-ческих режимов работы. Рассматривается организация работ по эффективному освоению техногенных образований, проблема подготовки кадров и мероприятия по охране труда.
Здесь же дается экономическое обоснование принятых проектных и технологических решений. Определяется, какая продукция будет производиться, се конкурентоспособность как на рынках России, так и за рубежом. Проводится активный поиск возможных рынков сбыта, поскольку в современных условиях реализовать продукцию экономически выгодно не менее важно, чем ее произвести.
Рассмотрим несколько примероз.
При проектировании добычи донных отложений в зависимости от потребности в них рассматриваются способы черпанья, скважинный и гидромеханизированный. Способ черпанья с водной поверхности донных отложений предпочтительней для небольших объемов при условии соблюдения экологической чистоты. Для отбора более плотных отложений могут быть использованы специальные снаряды, которые погружаются в отложения под влиянием силы тяжести. Скважинный метод добычи предпочтительней при локальной разработке отдельных участков; он позволяет сохранить водный режим и благоприятные условия сущсствов.-игия фауны и флоры в основной части водоема. При этом добывается столько донных отложений, сколько можно использовать в различных целях. Например, как сельскохозяйственные удобрения. В зависимости от качества почв определяется оптимальное количество вносимых удобрений. Следует строго соблюдать принцип "малые дозы лечат, большие калечат". Гидромеханизированный способ добычи донных отложений целесообразен при больших объемах при отсутствии угрозы, гибели растительного и животного мира в водоеме, а также при решении проблемы размещения всей добытой лиссы с соблюдением экологической безопасности.
При обосновании проектных решений добычи и технологической линии переработки техногенных образований в жидком виде ("жидкая руда") может бьггь использован опыт разведки месторождений подземных вод и их скиажинной добычи. В этом случае ^юектируютмя мероприятия, исключающие разубоживание "жидкой руды".
[ 1а этапе работ по проектному обоснованию технологических процессов решаются вопросы
209
организации мониторинга геологической среды на локальном уровне, т.е. на уровне конкретно.-: техногенного образования, которое формируется предприятиями-природопользователями. К сожалению, до последнего времени проблеме мониторинга геологической среды не уделялоо должного внимания. Обычно ограничивались наблюдениями за основными компонентам* окружающей среды: атмосферой, поверхностной водной системой и почвой.
Очевидна потребность в систематических наблюдениях за напряженно-деформированным состоянием горных пород и за их физическими свойствами; за химическим, бактериальным составом подземных вод м их динамикой; за геохимической обстановкой и за геофизическими полями естественного и техногенного происхождения. В этом случае могут быть использованы рекомендации, приведенные, напри/лер, в работах [3, 4, 7].
Служба мониторинга должна вырабатывать рекомендации для принятия управленческих решений с целью предупреждения в данном районе чрезвычайных экологических происшествий
Монтаж, наладка оборудования. Пробная эксплуатация. Кадры
На этом этапе работы в соответствии с проектными решениями устанавливается необходимое оборудование, проводится локализация участка разработки техногенного образования с целью уменьшить вынос мелких фракций, в которых обычно содержатся растворимые вещества; ограничить доступ воздуха внутрь техногенного образования, в составе которого кислород наиболее активно влияет на химические процессы в отложениях: горение, гниение, окисление [1]. При пробной эксплуатации уточняются режимы работы оборудования и технологических линий. Сопоставляется полученный результат работы с проектными решениями и экономическим обоснованием.
Как свидетельствует опыт работ при освоении техногенных образований и выпуске из их материалов товарной продукции, наиболее перспективными являются небольшие предприятия с негосударственной формой собственности. Такие предприятия мобильны, гибко реагируют на конъюнктуру рынка, более успешно завоевывают рынки ебьгга продукции. Все перечисленные стадии работ целесообразно выполнять на одном предприятии, что исключает получение отрицательного результата; все стадии работ могут быть состыкованы. На таких предприятиях работы проводятся по так называемому принципу "незаменимых" специалистов, т.е. чужую работу никто другой делать не будет, а некомпетентный работник заменяется другим, более квалифицированным, способным решить поставленную проблему.
Вполне закономерно возникает вопрос подготовки кадров для разработки техногенных образований, лицензирования предприятий и составления экспертных заключений об организационной, технической, технологической и экономической готовности предприятий для выполнения данных работ. Определенный опыт работы по экспертизе горнодобывающих предприятий Свердловской области в связи с лицешированием видов деятельности с повышенной опасностью имеется в Уральской государственной горно-геологической академии. Очевидно, при освоении наиболее крупных техногенных образований, возникших в результате прежней деятельности горнодобывающих предприятий, такой опыт работы может быть использован.
В связи с переходом высшей школы России к поэтапной смене форм обучения от общеобразовательной фундаментальной подготовки к профессиональной специализации создаются благоприятные условия формирования специалиста, соответствующего современной социально-экономической и хозяйственной структуре России [5].
Например, выпускники УГГГА по специальности "Технология и техника разведки месторождений полезных ископаемых" (прием с 1993 года) могут специализироваться по разведке и скважинным методам разработки техногенных образований как в твердом, так и в жидком виде.
Юридические и экономические проблемы, связанные с эффективным освоением техногенных образований
Предприятия различной формы собственности, ориентировашше на разработку техногенных образований, должны иметь четкие представложя по вопросам налогообложения: какие налоги, в каком размере они будут платить в настоящее время и на ближайшую перспективу (5-10 лет), чья собственность как всего техногенного образования, так и полезных компонентов, извлекаемых из
210
него; условия реализации произведенной товарной продукции как в России, так и за рубежом; кто хозяин земли, занятой техногенным образованием, на период его разработки и в дальнейшем, когда земля будет очищена.
Учитывая определенные сложности при организации мониторинга геологической среды на локальном уровне, на первом этапе целесообразно его проведение на крупных техногенных образованиях в районах с высокой плотностью населения.
Не менее актуальны юридические и экономические проблемы создания совместных предприятий по освоению крупных техногенных образований как в России, так и за рубежом. Например, проблема поставки сырья для цветной металлургии Среднего Урала из Монголии и приглашения на работу в совместных предприятиях граждан Монголии, которые обучались в Уральской государственной горно-геологической академии, а также специалистов других стран. Используя передовые технологии и технику, совместные предприятия ориентировались бы на выпуск остродефицитной товарной продукции по приемлемым ценам.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Быстрай Г.П., Макаров Л.В, Шилин Г.Ф. Неравновесная термодинамика процессов горного производства /Свердловский горный институт. - М: Недра, 1991. - С.46-60.
2. Волков С.Н., Емлин Э.Ф., Кецхо О.Г. Город Реж и его окрестности: природа, техника, человек.-Реж - Екатеринбург, 1992. - 149 с.
3. Зотеев В.Г., Тагильцев С.Н. Использование геолого-гидрогеологических данных для оценки напряженного состояния скального массива//Известия Уральской государственной горно-геологической академии. Сер.: Геология и геофизика - 1996. - Вып.5. - С. 154-158.
4. Макаров Л.В. Мониторинг и охрана недр с использованием скважин //Совершенствование техники и технологии бурения скважин на твердые полезные ископаемые. Вып. 19: Межвузовский научный те/латический сборник.- Екатеринбург: Уральская государственна* горно-геологическая академия, 1996.- С.25-28.
5. Ошкордин О.В. Проблемы базового образования и профессиональной подготовки инженеров-технологов геологоразведочного производства//Известия Уральской государственной горногеологической академии. Сер.: Геология и геофизика.- Вып.5.- С167-171
6. Промышленные отходы Челябинского электрометаллургического комбината (ЧЭМК): состав, направления испольэования/Талалай А.Г., Макаров А.Б., Глушкова Т.А., Карноухон В.Н., Огородников Г.А., Воронов Ю.И. - Екатеринбург. НТО "Горное", 1995. - 62с.
7. Сковородников И.Г. Усовершенствование техники и методики геофизических исследований гидрогеологических скважин//Известия Уральской государственной гор но-геологи чес кой академии. Сер.: Геология и геофизика. - 1996. - Вып.5. - С115-120.
