CC BY
40
© Е.А. Ельчанинов, 2002
УДК 622.014.3:502.76
Е.А. Ельчанинов
ТЕХНИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ УЛУЧШЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ШАХТ И РАЗРЕЗОВ РОССИИ
О масштабах негативного воздействия угледобывающих предприятий России на окружающую среду свидетельствуют следующие данные: каждая тысяча тонн добычи угля подземным способом сопровождается выдачей и размещением на земной поверхности 50-60 м3 вмещающих пород, каждая тысяча тонн обогащения - складированием 40-50 м3 пустых пород. В среднем на добычу I млн т угля подземным способом отчуждается 7,5 га земельных угодий. Объем сточных вод, приходящихся на I т добычи, превышает 3 м3, а количество пылегазовых выбросов в атмосферу - составляет 7-10 кг на I т добываемого угля, выбросы низкопотенциальной теплоты с вентиляционными потоками - 4.104 кДж на 1 т добычи угля.
В настоящее время снижение отрицательного влияния процессов угледобычи на экологическую обстановку осуществляется посредством восстановления нарушенного природного состояния, которое достигается рекультивацией земель, очисткой шахтных вод, пыле- и газоулавливанием и т.д. Названные меры малоэффективны, т.к. они направлены не на ликвидацию причин порождающих негативные явления, а на борьбу со следствием, что привело к большим материальным затратам и отсутствию прогресса в сохранении природы,
Эффективность решения задач может быть достигнута рациональным природопользованием, обеспечивающем следующие основные требования:
- соблюдение норм и нормативов использования минеральных водных, земельных и других природных ресурсов, необходимых для нормального функционирования высокопроизводительного промышленного производства;
- охрана здоровья людей, соблю-
дение необходимого уровня качества окружающей природной среды, выполнение установленных правил охраны и использования недр, поверхностных и подземных вод, земель и атмосферного воздуха;
- соблюдение интересов всех отраслей хозяйства, обеспечение оптимального уровня продуктивности сельскохозяйственных, рыбохозяйственных, лесохозяйственных и других угодий, расположенных в зоне вредного влияния промышленных предприятий.
В сложившихся условиях до сих пор не решаются вопросы существенного улучшения экологической обстановки и комплексного использования природных ресурсов в районах добычи угля,
Снижение вредного воздействия на окружающую среду должно обеспечиваться как на уровне отдельных производств, так и всего угледобывающего комплекса в целом. В связи с этим, нами рассмотрена структура системы рационального природопользования и охраны окружающей среды угледобывающих предприятий, позволяющая достичь наибольшего эффекта.
Твердые отходы. Выданная шахтная порода на поверхность и порода от обогащения угля складируются в отвалы и хвостохранилища, под которые отчуждается земля. Породы содержат в себе редкоземельные элементы, которые окисляясь попадают в водоемы, почву и атмосферу, При горении с каждого м3 горящих пород выделяется в атмосферу от 320 до 365 м3 различных газов. Все это негативно отражается на экологии шахтерских регионов.
Размещение накопленных и вновь образующихся отходов углеобогащения в выработанных пространствах шахт и карьеров позволит значительно улучшить экологию регионов, исключить необходимость отчуждения полезных земель, повысить надежность
горных работ и улучшить экономику угледобывающих и перерабатывающих предприятий.
Актуальность проблемы еще больше возрастет, если принять во внимание, что оставляемая в шахтах порода может и должна быть использована для решения целого ряда назревших задач, в том числе для закладки выработанного пространства при выемке накопившихся запасов угля в охранных целиках под застроенными площадями и промышленными сооружениями, для управления горным давлением в самом широком плане, для предотвращения эндогенных пожаров, для снижения опасности горных ударов и внезапных выбросов угля и газов, для улучшения условий проветривания, для повышения безопасности работы шахтеров, для повышения технико-экономических показателей подземной добычи угля и др.
За рубежом эти проблемы проявляются менее остро, чем в России, так как объем образуемой в процессе добычи угля пород, например, в Болгарии, Польше, Чехии и Германии обычно не превышает 120-150 т на 1000 т добычи угля и практически вся эта порода перерабатывается на строительные или закладочные материалы.
Проблема охраны природы от влияния на нее твердых отходов угольной промышленности сложна и многообразна. Она должна рассматриваться комплексно с учетом трех этапов. На первом этапе реализация уже имеющихся технических решений; второй этап - разработка новых технических решений, в настоящее время находящихся в стадии изучения; третий - поиск нетрадиционных технических решений. Все три этапа базируются на поиске и расширении потребителей как самих твердых отходов, так и продукции производимой из этих отходов. Это требует совершенно нового подхода к твердым отходам угольной промышленности России, т.е. рассматривать породы не как отходы, а как минеральное сырье, равноценное углю. В этом варианте угледобывающие предприятия превращаются из однокомпонентного в многокомпонентное производство. В этом случае выдаваемая порода утилизируется и используется в качестве
сырья для строительной индустрии, в дорожном строительстве, в качестве флюсов для металлургии, в химической промышленности, для изготовления керамики, для приготовления сельскохозяйственных удобрений, с целью извлечения ценных компонентов, в качестве закладочного материала. Глинистые породы, содержащие органические остатки, могут быть использованы для приготовления теплоизолирующих материалов.
При решении данной проблемы должны рассматриваться пути создания конкретных технологий для переработки накопленных пород и вновь получаемых, для снижения объема выдачи их на поверхность и использования в шахтах. Определяются возможные пути расширения их использования в народном хозяйстве.
Тенденции использования твердых отходов угледобычи рассматриваются с позиции их преимуществ перед традиционными материалами, применяемыми в настоящее время различными отраслях промышленности.
Шахтные воды. Приток шахтных вод варьируется в широких пределах от нескольких кубометров в час до 2000-3000 м3/ч и более. Средневзвешенный водоприток на одну шахту равен 360 м3/ч, колеблясь по отдельным от 26-126 (месторождения Северо-Востока и Приморья) до 924--2376.м3/ч (Подмосковный бассейн) и до 3500-4000 м3/ч Кизеловский бассейн.
К числу основных загрязнителей шахтных вод относятся взвешенные вещества. Они представлены частицами угля и вмещающих пород. Максимальная крупность частиц в откачиваемых водах, как правило, не превышает 100 мкм. Основная масса взвешенных веществ (до 90% представлена частицами крупностью менее 50 мкм).
Концентрация взвешенных веществ в шахтных водах по предприятиям составляет (после очистки) -УК Кузбассуголь - 235,4 мг/дм3; ОАО Южкузбассуголь - 51,2 мг/дм3;
В Кузнецком бассейне наиболее обводнены разрезы. Шахты распределяются так: обводненных - 56%, умеренно обводненных - 36%, слабо обводненных - 4% и весьма обводненных - 4%. В целом по бассейну средневзвешенный водоприток на од-
ну шахту составляет 336 м3/ч., т.е. бассейн попадает в группу обводненных.
Внедрение на шахтах высокомеханизированных комплексов со сложной сетью гидросистем привело к большому расходу нефтепродуктов при ведении горных работ (до 1 кг/т добычи), часть из которых попадает в шахтную воду и дополнительно загрязняет ее. Содержание нефтепродуктов в шахтных водах изменяется от 0 до 50 мг/л,
Шахтные воды загрязнены также тяжелыми металлами РЬ, Cd, Fe, Ве.
Шахтный метан. На шахтах России добыча угля осуществляется в условиях все возрастающего выделения метана в горные выработки. В связи с этим определенное место в развитии природоохранных мероприятий занимает утилизация шахтного газа метана. Ежесуточно из шахт выдается на каждые 1000 т добытого угля от 20 до 70 тыс. м3 газа метана. С ростом глубины разработки и интенсивности горных работ увеличивается содержание метана в угольных пластах, особенно во вмещающих породах.
Среди мер снижения газообильно-сти разрабатываемых пластов существенное место отводится дегазации. Дегазационными системами выдается 450-480 млн м3 метана с содержанием его в газовоздушной смеси до 40-50%, В ряде случаев дегазация не высока и составляет 20-30% от природного содержания. Это объясняется плохой герметизацией скважин и недостаточным уплотнением дегазационных трубопроводов. Поэтому на многих шахтах извлекаемая газовоздушная смесь характеризуется переменным содержанием метана.
В Кузнецком бассейне количество газовоздушной смеси с концентрацией метана 30-35% примерно 20%, в Воркуте - 45-50% . Удельный вес газовоздушной смеси с высокой концентрацией метана составляет (по отношению к полному объему каптируемой смеси) 26-50%.
Использование газообразного топлива с содержанием метана в диапазоне 3,5-25% опасно. Широкое колебание концентрации СН4 в газовоздушной струе, а также отсутствие методов использования некондиционного газа не позволяют повсеместно утилизировать это топливо.
Фактическое среднегодовое ис-
пользование газа метана из дегазационных сетей находится на уровне 50-б0 млн м3, а остальной объем выбрасывается в атмосферу или сжигается в виде открытых факелов.
При 30% концентрации метана в газовоздушной смеси теплота сгорания - 3579 ккал-кг, при 40% - 4772, 60% - 7168 и при 100% - 11930 ккал/кг.
Шахтная теплота. Из каждого вентиляционного шахтного ствола ежесуточно выдается от 1,5 до 20 млн. м3 рудничного воздуха, содержащего большое количество теплоты. Температура воздуха, выходящего из подавляющего большинства шахт, составляет 15-18 0С; влажность 95-99%, запыленность 5-10 мг/м3.
Длительное время эта теплота оставалась вне поля зрения производственников, конструкторов и ученых, не создавались эффективные установки для ее утилизации, не разрабатывались системы использования утилизированной теплоты в народном хозяйстве.
В настоящее время начата разработка и создание системы и средств использовали низкопотенциальной теплоты в следующих направлениях: для обогрева стволов и всасываемого в шахту воздуха в период низких зимних температур, исключив из системы вентиляции электрические и паровые калориферные установки;
для обогрева зданий и сооружений через систему тепловых каналов в их стенах;
для объемного обогрева теплиц и парников;
для обогрева рыбоводческих прудов, прудов отстойников и установок биологической очистки шахтных вод;
для обогрева линейных инженерных сооружений и объемных хранилищ сыпучих и жидких веществ.
Для снижения вредного влияния на окружающую среду планируется создание техники и технологии утилизации сопутствующих ресурсов и отходов угледобычи и его переработки.
Водохозяйственный комплекс должен исключить сброс неочищенных шахтных вод во внешние водоемы и обеспечить рациональное использование и охрану водных ресурсов. При этом планируются следующие технико-технические решения:
- разделение в шахте технологи-
ческих и дренажных водопотоков;
- снижение фильтрационных свойств пород водоносных горизонтов;
- применение полной закладки выработанного пространства, обеспечивающей минимальное нарушение пород подстилающих водоносные горизонты;
- рациональное ориентирование линии очистного забоя относительно естественной трещиноватости пород;
- водооборотные замкнутые технологические циклы;
- осветление шахтных вод дренированием через обрушенные породы отработанных горизонтов;
- очистка технологических шахтных вод в подземных условия с размещением твердого осадка в выработанном пространстве;
- бесступенчатая схема водоотлива с выдачей из шахты избытка воды в очищенном, деминерализованном и обеззараженном виде перед ее дальнейшим использованием и поставкой потребителям.
Водооборотный технологический комплекс. Расширение области использования шахтной воды должно быть достигнуто за счет повышения качества ее очистки от механических примесей и бактериологической загрязненности. Загрязнение воды нефтепродуктами требует дополнительных мероприятий по ее очистке и усложняет схему очистных сооружений.. В настоящее время на шахтах применяют ряд технологических схем очистки шахтных вод от вредных примесей. При этом основное распространение получили способы очистки с применением горизонтальных и вертикальных отстойников, пруды осветлители, фильтры различных конструкций. Все эти сооружения предназначены, в основном, для очистки шахтных вод от грубодисперсных примесей и части органических загрязнителей. Эффективность очистки в горизонтальных отстойниках составляет 25-40%, в прудах осветлителях достигает 60% и на станциях фильтрации до 95%.
На откачку, очистку, отвод и сброс шахтных вод расходуется на каждые 1000 т. добычи угля от 30 до 75 квт/ч электроэнергии, затрачиваются капитальные средства на строительство очистных сооружений, требуются
большие эксплуатационные расходы. Для снижения или полного исключения вредного влияния на природную среду сброса откачиваемых вод из горных работ разработан ряд технических решений, позволяющих изменить подход к шахтным водам и использовать их на технические нужды предприятий, а в ряде случаев для питьевого водоснабжения.
Рассматриваемые технические и технологические решения предназначены для управления водопритоком в горные выработки и рационального использования шахтных вод, обеспечивающих защиту водоносных горизонтов от истощения и водоемов от загрязнения сбрасываемыми водами. Исходными данными для разработок являются данные о возможных поступлениях воды в выработки и характеристика шахтных вод.
Теплоэнергетический комплекс предусматривает исключение вредных выбросов в атмосферу за счет применения следующих технических решений:
- использования метановоздушной смеси (МВС) из дегазационных систем в двигателях внутреннего сгорания;
- использование МВС в газотурбинных установках;
- сжигание МВС в топках шахтных котельных над слоем твердого топлива через боковые форсунки;
- обогащение МВС из вентиляционных систем в обогатительных установках, с доведением кондиции метана до допустимого уровня для использования в газотурбинах и топках котлов;
- утилизация низкопотенциальной теплоты исходящих вентиляционных потоков и откачиваемых шахтных вод с использованием тепловых насосов и низкотемпературных тепловых труб;
- использование МВС дегазационных систем для низкотемпературного разделения МВС с последующим катализом метана и получением автомобильного топлива.
Комплекс по переработке твердых отходов и их захоронения должен предусматривать исключение выдачи шахтной породы от проведения и ремонта выработок на поверхность. Вся порода от проходки и ремонта выработок должна перерабатываться с помощью центральных или участковых
дробильно-закладочных установок с последующим ее транспортированием и размещением в выработанное пространство очистных забоев или погашаемые выработки. Порода и хвосты от обогащения доставляются в шахту трубопроводным транспортом к ДЗК, где используется для приготовления закладочной шихты. Зола и шлаки котельных и ТЭС также подаются на шахту и используются для приготовления шихты.
Порода, хвосты обогащения, зола и шлаки энергетического производства, при необходимости с добавками вяжущих, используются для заполнения выработанного пространства, возведения жестких целиков и для заполнения закрепного пространства выработок.
Шахты России имеют некоторый опыт по переработке пород терриконов и закладки их в выработанное пространство очистных забоев. Используют кальций содержащие золы ряда ТЭЦ в качестве заменителей вяжущих. Хвосты обогатительных фабрик пока не нашли области размещения в подземных условиях.
Транспортировка закладочного материала по горным выработкам и на поверхности должна осуществляться трубопроводным транспортом. Порода по выработкам может транспортироваться конвейерным или колесным транспортом.
Проблема размещения породы от проведения и поддержания выработок, от обогащения и других твердых отходов имеет эколого-социальное и экономическое значение,
Вопросы экономики. Экономика решений экологических проблем освещает две группы связанных между собой вопросов: во-первых, как наиболее экономически эффективно использовать необходимые в производстве и потреблении ресурсы, и, во-вторых, каковы экономически наиболее целесообразные методы предотвращения или ликвидации загрязнений окружающей среды.
Практика свидетельствует, что попытки решения отдельных, не связанных друг с другом экономических задач не дают положительного результата, а иногда вызывают непредвиденные осложнения.
Особое место в разработке методологических основ охраны окружающей среды в угольной промыш-
ленности занимают вопросы оценки экономической эффективности мероприятий в системе управления экологическими процессами на уровне локальных хозяйственных организаций и отрасли в целом.
Выполненными в последние годы в этой части исследованиями и методическими разработками решены многие из данных вопросов, однако задача создания экономического механизма, определяющего методиче-
ский аппарат комплексной экономической оценки основного производства и сопряженных с ним технологий извлечения сопутствующих ресурсов и проведение средозащитных мероприятий, осталась не полностью решенной.
В связи с тем, что величина возможного эффекта комплексного использования сопутствующих углю ресурсов будет зависеть от меняющейся во времени потребительской стоимости этих ресурсов и возможных про-
дуктов их переработки, с одной стороны, и их территориального расположения относительно потенциальных потребителей с другой, прогнозирование и выбор природоохранных технико-технологических решений предприятий отрасли должны осуществляться в рамках схемы развития и размещения угольной промышленности, основным критерием которой среди прочего учитывается территориальный фактор.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Ельчанинов Евгений Александрович — профессор, доктор технических наук, Московский государственный горный университет.
