CC BY
26
© Б.Д. Терентьев, 2012
УЛК 622.272 Б.Д. Терентьев
ПУТИ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ ОТХОДОВ ПРИ ПОДЗЕМНОЙ РАЗРАБОТКЕ УГЛЕЙ
Приведены результаты статического исследования основных источников углеотхо-дов при разработке месторождений Восточного Донбасса. Определены возможные технические и технологические решения по снижению влияния подземной добычи угля на окружающую природную среду.
Ключевые слова: подземная разработка углей, отходы, природная среда, экология.
При разработке месторождений полезных ископаемых с последующей переработкой минерального сырья происходит техногенное изменение не только геологической, но и природной окружающей среды.
В настоящее время добывающими отраслями РФ заскладировано в отвалах и хвостохранилищах более 58 млрд т горных пород и отходов переработки полезных ископаемых. Техногенные отходы месторождений, как правило, содержат большое количество экологически вредных компонентов, являются источником негативного воздействия на окружающую природную среду (ОПС) и здоровье человека. Одной из самых экологически опасных является угледобывающая промышленность, на долю которой приходится две трети отходов. Доля вредного влияния угольной промышленности на окружающую среду от соответствующих показателей по России в целом составляет: выбросы вредных веществ в атмосферу — 4 %, сброс сточных и загрязняющих вод — 9—11 %, площадь нарушенных земель — 9 %, образование твердых отходов — 40—45 % [1].
Современная угольная шахта в период практически полной механиза-
ции очистных и подготовительных работ, когда осуществляется валовая выемка угольных пластов, выдает на поверхность для обогащения так называемую горную массу, в которой наряду с углем в значительных объемах присутствуют различные породы, непригодные по экономическим или техническим причинам для использования в народном хозяйстве.
Накопленное количество промышленных отходов постоянно возрастает. По данным Госкомэкологии, в последнее время на территории Ростовской области ежегодно образуется 7—8 млн т твердых отходов, из которых свыше 50 % приходится на долю угледобывающих предприятий.
В соответствии с Концепцией развития угольной промышленности Рос-си в области построены и сданы в эксплуатацию новые современные шахты — «Октябрьская-Южная» и обогатительная фабрика (ОФ), «Обу-ховская-1» и ОФ, «Шерловская-Нак-лонная», «Калиновская-Восточная», «Кадамовская-Западная», начала работу шахта «Садкинская-Восточная».
Рост объемов добычи угля позволяет уверенно прогнозировать увеличение количества углепромышленных отходов и в дальнейшем, если не будут приняты меры к снижению их
образования в процессе разработки месторождений и последующей планомерной комплексной утилизации в широких масштабах. В связи с изложенными видно, что распределение породных отвалов по источникам их формирования позволяет определить направления и технологические принципы снижения породообразо-вания как в процессе разработки угольных пластов, так и в процессе обогащения углей.
При больших объемах накопленных в угледобывающей отрасли отходов их использование в качестве товарной продукции составляет лишь 3 %, или 5,6 % годового выхода. Расходы предприятий отрасли на транспортировку и складирование твердых отходов и платежи за их размещение и загрязнение ОПС вредными выбросами и сбросами газов и вод от терриконов и отвалов составляют 15 % от себестоимости продукции. Возрастание объемов углеотходов носит устойчивый характер, а рост темпов их использования в качестве товарной продукции весьма незначителен, что не позволяет прогнозировать снижение негативного влияния породоот-валов на природную среду угледобывающих регионов.
Ограниченная область применения углеотходов как у нас в стране, так и за рубежом ставит задачу разработки и организации рациональных безотходных и малоотходных технологий подземной угледобычи. Под безотходной технологией подразумевается такой способ производства продукции, при котором любые воздействия на ОПС не нарушают ее нормального функционирования. Малоотходными считаются производства, воздействие которых на ОПС не превышает уровня, допустимого санитарно-гигиеническими нормами, а часть сырья, переходящая
в отходы, направляется на длительное хранение или захоронение. При подземной разработке угольных месторождений на современном этапе развития экономики из-за объективных технических и технологических причин организовать безотходное производство невозможно. Поэтому при подземной угледобычи необходимо стремиться к разработке и внедрению эффективных новых и совершенствованию существующих малоотходных технологий.
До настоящего времени учеными и промышленностью не создана реальная концепция организации малоотходных технологий подземной угледобычи.
В основном рассматривались вопросы снижения влияния на природную среду уже сформировавшихся отвалов углеотходов, но не изыскания способов и средств снижения объемов их образования, т.е. идет борьба со следствием, а не с причиной.
Принципы организации малоотходных производств в угледобывающей отрасли представляют собой сложную, комплексную, многоуровневую задачу, решением которой является разработка принципиально новых процессов, исключающих или существенно снижающих образование отходов и, как следствие, отрицательное воздействие на ОПС.
Для целенаправленной разработки новых технологических решений по снижению количества углеотходов необходимо определить источники и объемы поступления породы в процессе угледобычи, т.е. качественные зависимости формирования горной массы. На шахтах Восточного Донбасса в течение длительного периода были проведены исследования зольности горной массы. Зольность добываемого топлива по отдельным предприятиям изменяется от 10 до 43 %о,
Таблица 1
Коэффициент ремонта выработок (кп) за 2004 г.
Вил работы Объем работы Всего
На глубинах, м Крепление
200- 400- 600- 800- свыше металической анкерное
400 600 800 1000 1000 аркой
Проведение, м 1116 5146 3884 2259 5776 12401 5680 18181
Перекрепление, м 905 1404 2648 3431 2012 9786 235 10420
кп,% 81,1 27,7 68,2 151,9 34,8 78,3 4,0 57,3
составляет в среднем 35,4 %. Удельный выход породы изменяется в широком диапазоне — от 40 до 620 т на 1000 т добываемого угля.
Установлено, что основными источниками поступления породы и, следовательно, накопления углеотхо-дов при подземной угледобыче являются следующие технологические процессы [2]:
• проведение капитальных и подготовительных выработок сплошным забоем, без разделения на угольной и породной забои;
• валовая выемка полезного ископаемого при ведении очистных работ при наличии породных прослоев, значительного количества и объема вывалов пород кровли, а также при-сечки боковых пород из-за применения механизированных комплексов несоответствующего типоразмера;
• ремонт подготовительных и капитальных выработок.
Объемы породы, поступающей от проведения подготовительных выработок, определяются коэффициентом подрывки и перебором площади сечения выработки по сравнению с проектным. На шахтах ОАО «Гуков-уголь» отрабатываются в основном пологие пласты антрацита с рабочей мощностью 0,9—1,6 м. Для такой мощности пластов коэффициент подрывки пород в подготовительных выработках будет изменяться от 76 до 49 %. Выход породы при проведении подготовительных выработок состав-
ляет 64—69 т на 1000 т добычи, что подтверждается данными маркшейдерских замеров.
Так как информация о количестве ремонтов за весь срок проведения и эксплуатации выработок на шахтах отсутствует, то объемы породы, поступающей от их перекрепления и ремонта, определялись в соответствии с расчетным коэффициентом кп. Методически коэффициент кп представлял собой отношение длины перекрепленных участков выработок за год к длине вновь проведенных за тот же период. Анализируя величину кп (табл. 1) по конкретным шахтам, отрабатывающим пласты по столбовой системе разработки, можно заключить, что наибольшие коэффициенты у шахт, ведущих горные работы на больших (свыше 1000 м) глубинах:
«Алмазная» (77,2 %0. при сплошной системе разработки (шахта «Западная») кп имеет максимальное значение — 89,1 %. Кроме того, объемы перекрепления подготовительных выработок зависят от типа применяемого крепления. При анкерном креплении значение кп существенно ниже, чем при креплении металлическими арками. Однако статистический материал по влиянию типа крепей на устойчивость выработок ограничен, и исследования необходимо продолжить.
Выход породы от перекрепления действующих протяженным вырабо-
ток, определенный с учетом кп в зависимости от глубины разработки, изменяется в пределах 29 000— 32 000 т на 1 000 м проведения новых выработок, или 36,5—40,0 т на 1 000 добычи.
Таким образом, суммарный объем поступления породы от проведения горных выработок и их последующего во время эксплуатации ремонта колеблется в пределах 100—110 т на 1 000 т добычи. Обработка статистических данных методом корреляционного анализа позволила установить прогностические зависимости изменения коэффициента ремонта кп и объемов выхода породы при проведении и поддержании выработок от некоторых горнотехнических факторов: кп = (0,2 + 0,056Н)100 %; !Уп = Упе(1,2 + 0,0056 Н), т, где Упе — объем породы, получаемый от проведения подготовительных выработок, т; Н — глубина ведения горных работ. Корреляционное отношения — 0,88.
Вместе с тем, как следует из основных технико-экономических показателей работы шахт ОАО «Гуков-уголь», зольность горной массы в среднем составляет 32,9 %, или 329 т на 1 000 т добычи. При дифференцировании источников поступления породы с учетом её объемов от проведения и перекрепления горных выработок установлено, что из подготовительных выработок поступает 30— 35 %, а 65—70 % привносится в горную массу из очистных забоев. Поэтому исследование причин и объемов формирования породы в лавах на величину углеотходов и технико-экономических показателей шахт, а также изыскание возможных путей снижения поступления породы в горную массу из очистных забоев является одной их важнейших задач минимизации влияния горного производ-
ства на ОПС и повышения его рентабельности.
Наблюдения при ведении очистнык работ в лавах с различной нагрузкой и в разнообразный горно-геологических условиях показали, что основными причинами, формирующими зольность горной массы, являются:
• рост вывалообразования пород кровли как результат замедления скорости подвигания очистного забоя по технике и горнотехническим причинам;
• пересечения очистным забоем мелкоамплитудных геологических нарушений;
• несоблюдение технологического паспорта ведения очистных работ и применение механизированных комплексов, не соответствующих горногеологическим условиям;
• увеличение глубины разработки месторождений и, как следствие, возрастание величины горного давления;
• наличие массивных прослойков породы в пластах сложного строения и высокая материнская зольность углей.
Исследование влияния скорости подвигания очистных забоев на объемы поступления породы в лаву в результате вывалообразования проводились восьми шахтных полях в 22 лавах. Наблюдения показали, что между скоростью отработки выемочного столба и объемами вывалообра-зования существует корреляционная зависимость, которая может быть представлена не в виде функции: VB = 1 050 + ол(0,0008ехр(ол/10-1))-1 , где VB — объем вывалообразования, т/мес; ил — скорость подвигания лавы, м/мес. Коэффициент корреляции — 0,91.
График функции, построенный на базе обработки статистического материала, представлен на рис. 1.
Рис. 1. Зависимость величины вывалообразования породы в лавах от скорости ее подвигания
Рис. 2. Зависимость объема вывалов породы в ла вах от глубины горных работ
Из графика следует, что увеличение темпов отработки выемочных столбов с 50 до 80 м/мес снижает объемы вывалообразования в лавах в 2,5—3,5 раза (с 5—7 до 0,5—1,8тыс м/мес), а снижение до 30 м/мес увеличивает объемы вывалов породы на
50—60 % (с 6 до 9 тыс. т/мес). Исследование зависимости объемов вывало-образования от глубины ведения очистных работ показывает, что эта величина существенно изменяется с ростом глубины (рис. 2). При определении закономерности изменения Vв.п анализировались данные по шахтам, отрабатывающим пласты на различных глубинах — от 400 м (шахта «Ростовская») до 1 100 м (шахта им. 50-летия Октября).
Другие значительным источником повышения зольности горной массы является валовая выемка угольных пластов сложного строения. В соответствии с исследованиями производительности угольных пластов по чистым угольным пачкам по сравнению с их вынимаемой мощностью, проведенными ка восьми шахтных полях ОАО «Гуковуголь», уста-новленно, что производительность только угольных пачек на 2 % меньше. Это свидетельствует о том, что приблизительно четвертая часть породы в объеме горной массы получается непосредственно в процессе отделения угля от массива.
Учитывая объемы поступления породы (Упост) из различных источников, а также соотношение объемов добычи из очистных и подготовительных забоев, можно конкретизировать величину загрязнения углей в процессе подземной добычи. Данные рас-
Таблица 2
Распределение загрязнения углей в расчете на 1000 т горной массы
Источники поступления поролы ^пост
т %
Проведение подготовительных выработок 64...69 19...21
Ремонт подготовительных выработок 36...40 11...12
Валовая выемка пластов сложного строения 81...86 25...26
Вывалообразование пород кровли в лавах 127...141 39...43
Прочие источники 5...7 1... 2
Всего в среднем 329 100
Рис. 3. Схема образования углеотходов при подземной разработке углей
пределения загрязнения по источникам представлены в табл. 2.
Исследования, проведенные на шахтах ОАО «Гуковуголь», позволили
установить основные источники и их долевое участие в формировании уг-леотходов, определить возможные технические и технологические реше-
ния по снижению влияния подземной угледобычи на ОПС и улучшению качества углей. Основными источниками загрязнения углей породой в соответствии с их количественной долей являются:
• валовая выемка полезного ископаемого при очистных работах;
• проведение подготовительных и капитальных горных выработок узким ходом, сплошным забоем, без разделения на угольную и породную часть;
• применение очистных механизированных комплексов, не соответствующих горно-геологическим условиям;
• сокращение объемов поддержания выемочных штреков при помощи породных бутовых полос из-за отсутствия надежных отечественных поро-дозакладочных комплексов;
• применение нерациональных систем подготовки запасов к очистной выемке;
• использование крепей подготовительных выемочных выработок без учета существующей горнотехнологической обстановки и, как следствие, большие объемы ремонтных работ;
• отсутствие подземных установок, позволяющих производить первичное
1. Твердые отходы угольного производства Восточного Донбасса и их использование Н.П, Ивантова. — Шахты: Изд-во ЮРО АГН РФ, 2006. — 158 с.
частичное обогащение угля с составлением породы в шахте для использования в качестве закладочного материала.
Для снижения отрицательного воздействия подземных горных работ на ОПС и обеспечения малоотходной технологии угледобычи в соответствии с проведенными исследованиями предложены и систематизированы требования по совершенствованию современных способов и средств ведения очистных и подготовительных работ. На первом этапе решения этой проблемы определены те принципиальные технологические направления реализации процессов угледобычи, при выполнении которых без существенных затрат и снижения требований безопасности можно получить значительное сокращение объемов выхода углеотходов. Технологические направления по снижению объемов выхода породы и загрязнения ОПС при подземной разработке угольных пластов (рис. 3) реалистичны как по возможности их выполнения в краткосрочной перспективе, так и по эффективности достигаемого результата.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
2. Терентьев Б. Д. Проблема снижения зольности горной массы / Б. Д. Терентьев, В.Б. Артемьев, А.Т. Ецков // Уголь. —
2002. — № 2. — С. 63—65. \ГШ
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -
Терентьев БД. — профессор, Московский государственный горный университет, Moscow State Mining University, Russia, [email protected]
A
