В современном мире все большую значимость приобретает проблема экологической деформации территорий под воздействием антропогенного фактора. Вмешательство в природные процессы приводит к загрязнению окружающей среды. Важной экологической проблемой для Донецкой области является воздействие процессов угледобычи.

Терриконы оказывают негативное воздействие на атмосферу, почвы, поверхностные и подземные водные источники.

Во влажном воздухе сернистый ангидрид, который выделяется из терриконов, образует серную кислоту, которая вместе с дождями выпадает на землю. Когда в воздух попадает металлическая пыль, то образуются еще более ядовитые соли серной кислоты.

Многие из террикоников горят, и это способствует значительному изменению состава атмосферного воздуха и выпадению кислотных дождей, так как из одного горящего отвала за сутки в среднем выделяется в атмосферу 4-5 т оксида углерода и от 600 до 1100 кг сернистого ангидрида, а также небольшие количества сероводорода, оксидов азота и других продуктов горения.

Подземные воды при взаимодействии с терриконами сильно обогащаются взвешенными частичками, из слабощелочных становятся кислыми (рН достигает 2-3 и это происходит на 15% шахт), из пресных и солоноватых с минерализацией от 0,2 до 3 г/л превращаются в соленые с минерализацией 5-30 г/л и очень жесткие.

Установлено, что на долю угольной промышленности приходится 55-70% всех веществ, загрязняющих водоемы региона. Значительное загрязнение дают терриконы.

На землях занятых под терриконами почвы, в отличие от природных, в верхних горизонтах нарушены (насыпаны, срезаны, перемешаны). В таких почвах изменены кислотно-щелочной баланс и физико-механические свойства. На запечатанных территориях, в терриконах шахтные породы с течением времени под действием жизнедеятельности бактерий в сочетании с действием влаги и колебаний температуры выветриваются. Этот процесс негативно сказывается на прилегающей территории. Терриконы загрязняют прилегающие черноземные почвы, делают их непригодными для всего живого.

Коническая форма отвалов, большая крутизна их склонов (до 45°) способствует катастрофическим эрозионным процессам. С 1 га поверхности терриконов ежегодно смывается от 86 до 900 м породы.

Смываемая порода очень токсична, так как окисление пирита способствует тому, что свежеотсыпанная нейтральная порода терриконов с течением времени становится сернокислой с рН 3. Серная кислота, образующаяся в результате окисления пирита, растворяет различные металлы, и они мигрируют на прилегающие территории.

Терриконы можно определить как объекты, приносящие значительный вред прилегающим почвам. Пиритизированные угли богаты ураном. В углях он в основном представлен настураном (оксидом урана). Образующаяся в результате окисления пирита отвальной массы серная кислота растворяет все металлы, в том числе и уран. Растворение урана приводит к повышению радиоактивности породы террикоников[1].

Следовательно, проблема переработки терриконов является актуальной.

- изучение мирового опыта по решению проблемы утилизации терриконов;

- разработка универсальной схемы переработки терриконов методом агломерации;

- уменьшение вредного воздействия терриконов на окружающую среду путем их переработки методом агломерации;

- внедрение данного проекта.

Отходы добычи природных ресурсов и остатки сырья, не использованного в процессе изготовления основной продукции, не всегда полностью теряют народнохозяйственную значимость и зачастую тоже могут быть использованы в качестве сырья для производства той или иной продукции. Отвальная порода угольных шахт тоже относится к таким отходам. В настоящее время известны такие способы ее утилизации, как получение строительных материалов и утлеудобрений, производство бокситов и алюминиевых сплавов, отделение магнитных железосодержащих соединений из терриконов, выделение германия из терриконов, выделение редкоземельных элементов из терриконов.

Нами предлагается схема переработки терриконов методом агломерации представленная на рисунке 1.

Рисунок 1 – Анимация технологической схемы получения аглопорита из отвалов угледобычи (328 КБ, 37 кадров, 3 повторения).

Отходы угледобычи подвергают дроблению до фракции 0-3 мм и усреднению. Затем они увлажняются водой и перемешиваются в барабанном или шнековом смесителе для получения подготовленной к спеканию шихты. После этого подвергаются агломерации – спеканию на агломерационной машине конвеерного типа. Углерод, содержащийся в породе, служит топливом в процессе спекания материалов. Готовый продукт спекания представляет собой агломерационный «пирог» – аглопорит. В зависимости от дальнейшего его использованияон может подвергаться различным видам дробления и измельчения.

Аглопорит может быть использован в: строительстве дамб и платин; производстве цемента; производстве шлакоблока и кирпича; строительстве автомобильных и железных дорог; производстве железобетонных изделий; производстве бетона; монолитном домостроении.

В ДонНТУ технология переработки терриконов методом агломерации ранее не изучалась. Но избавиться от терриконов и освободить территории для промышленных нужд пытались многие, достойное решение проблемы угольных отвалов предложили профессор кафедры горной геомеханики, доктор технических наук ДонНТУ Михаил Зборщик и его коллега, профессор, доктор технических наук, завкафедрой холодильной и торговой техники ДонГУЭТ Владимир Осокин.

Несколько лет назад оба профессора работали в Донецком национальном техническом университете и занимались серьезным научным исследованием – проблемой внезапных выбросов газа в шахтах. Терриконы ученых не интересовали и вопросы самовозгорания породы тоже. Но однажды, Владимир Васильевич поделился с Михаилом Павловичем любопытным наблюдением: диспергированный уголь (мелкий, похожий на муку) лежал в лаве довольно долго и вдруг, пропитавшись водой, загорелся. Они решили провести эксперимент. Набрали в емкости шахтной воды и угля, привезли их в лабораторию Донецкого медицинского института. Там со специалистами кафедры биологии поставили эксперимент. Воду и уголь соединили, а за смесью стали наблюдать в микроскоп и измерять ее температуру. Шахтную воду исследовали отдельно.

Оказалось, наши шахтные воды, особенно кислые, содержат много тионовых бактерий. Эти бактерии распространены повсеместно – от Кольского полуострова до Южно-Африканской Республики. Живучи необыкновенно, не теряют своей активности при замерзании воды, переносят высокую температуру – найдены в действующих вулканах; выдерживают огромное давление – обнаружены в районе Марианской впадины, то есть глубже 11 километров от уровня моря. Обитают во всех угольных месторождениях и минералах, содержащих серу. Никто и никогда в поджогах терриконовой породы эти бактерии не подозревал. Но, как оказалось, самовозгорание начинается именно с них.

В лаборатории смесь воды и угля стояла долго и внешне никак не менялась. Зато внутри была иная картина: под воздействием бактерий содержащийся в углях и глинистых породах минерал пирит распадался на два компонента: серную кислоту и двувалентное железо. И все же не вся сера превращается в кислоту, частично она остается в виде коллоидного раствора бурого цвета и под влиянием бактерий начинает нагреваться. Приспосабливаясь к теплу, изменяются бактерии. Из точек они становятся нитями и палочками, затем приобретают сферическую форму.

При повышении температуры до 120°С сера кипит и выделяется пар. Чем выше температура, тем больше пара. При достижении серой 240-260°С ее пары воспламеняются, а биохимический процесс сменяется химическим. Все новые и новые вещества, преобразуясь, включаются в горение, сопровождающееся температурой 1800°С и выше, и тогда недра шахт и терриконов настолько раскаляются, что начинает плавиться порода. И порой можно даже увидеть, как из террикона, словно лава из вулкана, выливается раскаленная масса. К этому времени бактерии гибнут, но свое дело они сделали: сработали, как стартер в машине, запустив процесс горения.

Работа донецких ученых стала открытием, которое по-научному звучит довольно мудрено: «Явление выделения ионитной из пиритсодержащей породы серы под действием тионовых бактерий». Открытие положило конец расхожему заблуждению, ставшему догмой, – так называемой кислородной теории самовозгорания углей и терриконов. Сообразно этой теории считалось, что уголь и порода возгораются из-за окисления кислородом. Ничего подобного. Как только уголь извлекается из недр, на нем образуется пленка из соединений кислорода, препятствующая дальнейшему окислению. Она очень прочная, блокирует даже включения газа метана. Однако пирит – химически устойчивое соединение и от взаимодействия с воздухом не воспламеняется. Даже если в лабораторных условиях под высоким давлением нагнетать на пирит чистый кислород, возгорания не будет.

А вообще открытие донецких ученых вписывается в концепцию глобальной энергии. Возгорание угля и породы - проявление той энергии, которую природа когда-то затратила сначала на создание биомассы, а затем на ее погружение, покрытие слоем грунта и процесс углеобразования. Тионовые бактерии эту энергию способны вернуть обратно в окружающую среду.

Владимир Осокин и Михаил Зборщик не ограничились этим открытием. Они стали размышлять, как же предотвратить самовозгорание, из-за которого на угольных предприятиях Украины происходит минимум 15 пожаров в год, из-за чего не только повышается уровень загрязнения окружающей среды, но и возникает непосредственная угроза жизни людей. Дело в том, что при самовозгорании в толще терриконовой породы выгорает углефицированное вещество, и образуются пустоты. Случается, в них порой проваливаются люди. Еще полбеды, если внутри пустоты температура нормальная, тогда есть хоть какой-то шанс на спасение. А если там невыносимый жар? Однажды в Луганской области в огненную дыру на терриконе провалился бульдозер. Ни от человека, ни от машины ничего не осталось.

Бывает, рукотворная гора начинает швыряться камнями, как в Донецке на шахте «Трудовской», где террикон засыпал дорогу. Агрессивное поведение терриконов объясняется тем, что при горении в его толще образуются сернокислотные зоны, в них при температуре 336,6°С кипит серная кислота. Если на сернокислотную зону, например после дождя, сползает влажная порода, происходит выброс.

Вобщем, бед от терриконов немало, а решение проблемы выглядит просто. Ученые Зборщик и Осокин пришли к выводу: процессы самовозгорания можно предупредить, если изменить кислотную среду обитания тионовых бактерий на щелочную. Для этого достаточно напоить породу водой, в которой растворена известь. Правильность предположения подтвердили лабораторные эксперименты. Выяснилось, что для предотвращения горения подходит любая известь, оптимально же использовать ту, что скапливается в виде отходов на металлургических предприятиях.

Способ утилизации терриконов методом спекания их в агломерационной печи ранее не разрабатывался.

Но в Украине многие изучали терриконы, возможные варианты их использования, но в большинстве случаев на практике эти способы не использовались.

Восточноукраинский национальный университет им. Владимира Даля. Предложено два способа комплексной безотходной утилизации отвальной породы, с использованием известных способов утилизации [2] и предлагаемых (патенты Украины №№ 34630А, 44988А, 52904А, 52907А, 52908А, 53848А). Одна из схем приведена ниже.

Утилизация предусматривает возможность получения из отвалов галлия, германия, висмута из сульфидов, отделенных от остальной породы методом флотации:

1. Выделение сульфидов из породы методом флотации. Флотация – метод разделения минералов исходя из их способности избирательно прилипать к вводимым в водную минеральную суспензию воздушным пузырькам и всплывать с ними на поверхности суспензии с образованием пены. Хорошо смачиваемые минеральными маслами сульфиды под действием пузырьков воздуха всплывают на поверхности. При этом пустая порода остается в объеме пульпы.

Так как в породе наблюдается тонкое взаимопрорастание минералов висмута с другими минералами, их можно добывать с помощью коллективной флотации с последующей селекцией. Селективная флотация необходима для отделения висмутовых минералов от сульфидов железа (пирита), которые являются вредными примесями. Селекция указанных минералов достигается тем, что они образуют в породе обособленные от минералов висмута выделения.

Селективная флотация проводится депрессией пирита цианидом в начале процесса. В качестве собирателя используется бутиловый ксантогенат, в качестве вспенивателя – сосновое масло или ИМ-68. Данная схема флотации проводится по принципу непрерывного процесса. В результате полученный концентрат вмещает достаточное количество висмута для выделения его в чистом виде общепринятыми методами. Наиболее пригодным методом выделения висмута из бедного сульфидного сырья является дистилляционный обжиг. Дистилляция осуществляется при температуре от 700 до 1500°С в трубчатых печах.

2. Получение галлия, германия из сульфидов. Галлий возгоняется при температуре 650-700°С в виде Ga₂О. Для извлечения германия из сульфидов разработан метод, основанный на возгонке моносульфида германия нагреванием концентрата в нейтральной или восстановительной атмосфере. При 800°С в атмосфере H₂ и СО возгоняется 90-93%.

3. Разделение отходов флотации на жидкую и твердую фазы. После флотации пульпа подвергается механическому обезвоживанию. Для этого используется типовое оборудование: вакуум-фильтры, фильтр-прессы или центрифуги[3].

4. Очистка жидкой фазы. В технологическом плане очистка жидкой фазы осуществляется в два последовательно проводимых этапа: перевод растворимых солей металлов в твердую фазу (нейтрализация воды): разделение жидкой и твердой фаз с последующим обезвоживанием и утилизацией образующегося осадка.

Первый этап очистки от солей тяжелых металлов (нейтрализация) осуществляется химическим методом. Для нейтрализации обычно используется известь или известняк в сочетании с известью, подача которых в воды осуществляется по определенному режиму (двухрежимная или двухстадийная нейтрализация), обеспечивающему интенсификацию последующих процессов осветления воды, уплотнения и обезвоживания осадка.

Второй этап очистки предусматривает разделение жидкой и твердой фаз и осуществляется путем последовательного проведения процессов осветления воды, уплотнения и обезвоживания осадка. После уплотнения осадок подвергается механическому обезвоживанию. Для этого используется типовое оборудование: вакуум-фильтры, фильтр-прессы или центрифуги. Осадок жидкой фазы совместно с твердой фазой отходов флотации может быть использован для производства строительных материалов, углеудобрения или мелиорантов [2].

5.Использование твердой фазы для получения углеудобрения или производства кирпича. Если твердые отходы флотации содержат более 12% органического вещества, они после высушивания без какой-либо дополнительной подготовки могут быть использованы в качестве мелиорантов или удобрений. Если же содержание органического вещества не превышает 10%, то твердые отходы флотации могут быть использованы для производства кирпича. Влажная твердая фаза флотации после механического обезвоживания поступает в глиномешалку, где влажность шихты доводится до 18,5-21,5%, а затем на формование в ленточный пресс. Выходящий из пресса брус разрезается полуавтоматом. Кирпич-сырец укладывается в вагонетки и подается в камерные сушилки. Изделия сушат теплом отходящих дымовых газов, образующихся при самообжиге кирпича в напольных кольцевых печах в результате выгорания топлива из углесодержащей породы. Выделяющегося при этом тепла достаточно для обжига кирпича и сушки сырца. Температура обжига 950-980°С, цикл обжига – 85 ч.

Выпускаемый кирпич имеет марки 75-150, все показатели которого, в том числе морозостойкость, соответствуют ГОСТам. Единственное условие: для получения качественного кирпича содержание органического вещества в шихте не должно превышать 10%. В случае превышения его содержания снижается прочность кирпича, происходит неполное выгорание органического вещества, особенно в средней части изделия. Получаемый из шахтной породы кирпич легче глиняного и обладает лучшими теплоизоляционными свойствами.

Метод использования энергии горящих терриконов.

Общеизвестно, что в глубине терриконов подверженных горению температура достигает 1000°С и более. Процесс горения длится до 20 лет.

Использование тепла, выделяемого в процессе горения терриконов, может решить одновременно три задачи, а именно: экологическую, экономическую и социальную.

Экологическая – при оптимальном поддерживании процесса горения, можно избежать вредных выбросов в атмосферу, а главное за счет полного сгорания горной массы ликвидировать террикон.

Экономическая – использование природного тепла, при минимальных финансовых затратах получение тепловой и электроэнергии.

Социальная – создание рабочих мест по технологическому обслуживанию установок при использовании тепловой энергии горящих терриконов.

Практическая реализация предлагаемого способа использования энергии горящих терриконов представлена на рисунке 2 и заключается в следующем.

Рисунок 2 – Практическая реализация предлагаемого способа использования энергии горящих терриконов

В зону максимальной температуры (очаг горения) вводится посредством механизма ориентации (2), представляющим собой силовой робот, позволяющий ввести теплопреобразователь (1) в зону горения. Теплопреобразователь представляет собой буровую штангу, внутри нее размещен теплосъемник, в котором находится водоподающая труба, в которую закачивается вода насосом (3). В периферийной зоне, которая находится в зоне горения террикона, происходит преобразование воды в пар, который перемещается к выходу, проходит вдоль подводящего водяного става, чем подогревает воду, подающуюся в зону парообразования. Полученный пар поступает в отводной трубопровод и может направляться непосредственно на коммунальные нужды (обогрев помещений, получение горячей воды), а так же электропарогенератор (4) для получения электроэнергии.

Для активизации процесса горения, посредством той же трубы (буровой штанги) в зону горения вносятся необходимые реагенты и по ней же отводятся продукты горения, которые впоследствии и утилизируются. Управление технологическим процессом осуществляется блоком управления процессом горения и утилизации продуктов горения (5)[4].

Блок автоматического управления технологическим процессом способа использования энергии горящих терриконов включает в себя следующие функциональные блоки: блок регулирования и поддержания направления подачи исполнительного органа в породном отвале для получения пара; блок контроля и поддержания режимных параметров получения теплоносителя в активной зоне породного отвала; блок управления подачи реагентов в активную зону генератора пара, а так же отбора продуктов выделяемых в процессе горения; блок управления процессом получения серной кислоты; блок управления электропарогенератором.

Работа системы автоматического управления процессом получения энергии заключается в следующем: автоматическая подача исполнительного органа генератора пара в активную зону горения породного отвала осуществляется блоком регулирования и стабилизации направления подачи исполнительного органа. Периодически, по мере уменьшения интенсивности парообразования, которое оценивается косвенно, по датчикам давления и температуры, расположенных в активной зоне генератора пара. Стабилизация температуры парообразования в активной зоне генератора пара производится путем взаимосвязанного регулирования количества воды, подаваемой в парогенератор и ввода реагентов в зону горения, а так же местоположения парогенератора в активной зоне горения породного отвала. Разработанный способ использования тепловой энергии горящих терриконов имеет ряд оригинальных технических решений защищенных патентами.

АОЗТ «Проминвест-экология» (пгт. Семейкино, Краснодонский район, Луганская область)

Утилизация отходов шахтного производства с применением современных технологий – предмет деятельности АОЗТ «Проминвест-экология». Разработаны технология и инвестиционный проект утилизации отходов угледобычи и промышленного птицеводства. Краснодонский район Луганской области – территория приоритетного развития. Производство позволяет получать биоорганоминеральное удобрение «Биоцикл» и будет способствовать решению серьезных экологических и социальных проблем, восстановлению естественного плодородия сельскохозяйственных угодий, повышению урожайности сельскохозяйственных культур и качества продукции без использования минеральных удобрений. Модификации удобрения отличаются микробиологическим составом и соответственно ему усиленными способностями азотфиксирования, фосформобилизации и борьбы с болезнями с/х культур. Предусматривается, что удобрения будут вноситься в почву при посеве семян непосредственно в рядки или же перед культивацией по 150-250 кг/га в зависимости от агрохимического состава почвы.

На сегодняшний день в Украине отсутствует промышленное производство аналогичных удобрений. Новизна, высокое качество, широкий ассортимент и доступные цены – главные преимущества предлагаемого товара. Удобрения серии «Биоцикл» являются экологически чистым продуктом, о чем свидетельствует заключение экспертизы, проведенной Институтом экогигиены и токсикологии им. Медведя, и составленный на основании этой экспертизы токсиколого-гигиенический паспорт на органоминеральное удобрение «Биоцикл».

В соответствии с предлагаемым проектом планируется построить и запустить в эксплуатацию перерабатывающий комплекс производительностью 14 000 тонн биоорганоминеральных удобрений в год. АОЗТ «Проминвест-экология» предлагает потенциальным инвесторам участвовать в реализации инвестиционного проекта «Создание комплекса по утилизации шахтной породы и отходов птицеводства с целью производства биоорганоминеральных удобрений»[5].

В 2001 году Российско-Британский консалтинговый центр, созданный для помощи в реструктуризации наших предприятий угольной отрасли, предложил создать две электростанции на основе технологии сжигания породы терриконов с незначительным добавлением угля. Это позволило бы переработать 100 млн тонн пустой породы, которая нынче горит и отравляет атмосферу углеродными окисями. Естественно, высвободились бы и значительные площади плодородной земли. Одну электростанцию планировалось построить в Новошахтинске, вторую – на площадке шахты «Садкинская», на стыке Белокалитвенского и Усть-Донецкого районов. Генеральный директор РБКЦ Сергей Дорошенко даже убедил руководство «Гонконг Шанхай Банк», которое решило вложить в проект 250 млн долларов США, началась разработка схемы финансирования. Но по каким-то таинственным причинам вся затея развеялась.

Америка, Польша, Германия, почему там не видно терриконов? Да потому, что они эту породу перерабатывают, смешивают ее с песком, другими добавками и закладывают выработанное пространство. Для нас это не новость у нас в 1975-1976 годах на шахте им. Горького работала такая установка по закладке. Было решение правительства для шахт Центрального Донбасса разрабатывать проекты и сметы на строительство закладочных комплексов.

В Японии из терриконов извлекают редкоземельные элементы, германий и т.д

Основными вопросами возникающими при предотвращении негативного воздействия на окружающую среду путем переработки терриконов являются:

- уменьшение воздействия на компоненты окружающей природной среды;

- уменьшение накопления отходов и освобождение земель;

- получение экономического эффекта за счет экономии на платежах за размещение отходов, за счет освободившейся территории и т.д.;

- снижение потребления природных ресурсов.

На территории Донбасса насчитывается более 1,5 тыс. терриконов, в каждом из них в среднем 1144 м³ породы. Терриконы разбросаны по всей территории Донбасса на площади 800 га. Они занимают значительные территории и оказывают негативное воздействие на атмосферу, почвы, поверхностные и подземные водные источники. Поэтому проблема утилизации терриконов в настоящий момент является актуальной.

Переработка терриконов методом агломерации позволяет в большей степени решить поставленные вопросы.

В результате работы получена схема переработки терриконов методом агломерации, которая позволяет получить экологическую, экономическую и социальную выгоду.

Экологическая – при переработке терриконов снижается негативное воздействие на окружающую среду.

Экономическая – снижение платежей за ущерб, наносимый терриконами, экономическая выгода за счет применения освобожденной территории в промышленных нуждах, экономическая выгода за счет полученного вещества – аглопорита.

Социальная – создание рабочих мест по технологическому обслуживанию на предприятии по производству аглопорита.

При внедрении данной технологии предполагаются неизбежные выбросы в атмосферу пыли, сернистого ангидрида, диоксида азота, оксида углерода. Для предотвращения попадания их в атмосферу необходима установка многоступенчатой системы газоочистки, которая обеспечит полную очистку газа от загрязняющих веществ.

На проектируемом предприятии предполагается организация оборотной системы водоснабжения, которая исключает сброс загрязненных сточных вод в водные объекты.

При производстве аглопорита твердыми выбросами являются мелкие частички аглопорита, которые полностью утилизируются в данном производстве.

Т.о. данная технология позвлит решить экологическую проблему, а также получить экономическую выгоду не только за счет полученного в результате спекания аглопорита, который может использоваться в строительной промышленности, но и за счет освобождения земель и снижения расходов на плату за ущерб нанесенный окружающей среде.

1. Васильева И. Териконы поджигают невидимки. http://www.geonews.com.ua/index.cgi?a=7502.

2. Красавин А.П. Защита окружающей среды в угольной промышленности М.: Недра, 1991. – 219 с.

3. Жизнь растений / Под редакцией А.А.Федорова. – М: Просвещение, 1974. – Т.1. – 528 с.

4. Метод использования энергии горящих терриконов. http://www.necin.kiev.ua/rus/publications/terikon.htm.