Источник:http://www.nbuv.gov.ua/Portal/natural/Rrm/2011_94/33.pdf
УДК 577.4:622.014.3:351.823.3:622.693.26
Войцеховская Е.Ю., Жуков Д.С. (НИИГМ им. М.М.Федорова)
УМЕНЬШЕНИЕ НЕГАТИВНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ПОРОДНЫХ ОТВАЛОВ НА ОКРУЖАЮЩУЮ ПРИРОДНУЮ СРЕДУ КАК ОБЪЕКТ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Систематизовано та аналітично оброблено інформацію про об'єми і якість відходів, що розміщуються на породних відвалах вугільної промисловості, можливості зменшення негативного впливу породних відвалів на навколишнє природне середовище.
Систематизирована и аналитически обработана информация об объемах и качестве отходов, которые размещаются на породных отвалах угольной промышленности, возможностях уменьшения негативного влияния породных отвалов на окружающую природную среду.
Systematized and analytically treated the information about volumes and quality of wastes, which take place on the waste dumps of coal industry, possibilities of diminishment of the negative influencing of waste dumps on a natural environment.
Постановка проблемы и ее связь с научными и практическими задачами. Как известно, шахтерские регионы -это зоны экологического бедствия, а предприятия угольной промышленности классифицируются как экологически опасные [1].
Процесс добычи и переработки угля требует отчуждения больших территорий земель под предприятия угольной промышленности. В результате функционирования шахтных предприятий угольной отрасли накоплено огромное количество отходов производства -горной породы, которая в ходе производственного процессаскладируется в породные отвалы, являющиеся техногенным массивом, формируемым на специально отведенной площади из горных пород, получаемых в процессе разработки месторождения.
Для Донецкого региона характерна самая большая в Украине и Европе экологическая нагрузка на биосферу в связи с производственной деятельностью предприятий черной металлургии, электроэнергетики, топливной и химической промышленности, сконцентрированных на сравнительно небольшой территории. Общая масса накопленных отходов превышает 4 млрд. т, а это четверть всего количества отходов по стране.
Разработка угольных месторождений отрицательно влияет и на гидрохимический режим эксплуатации поверхностных и подземных вод, усиливает загрязнение воздушного пространства, ухудшает плодородие земель.
По температурному состоянию породные отвалы делят на горящие и негорящие. При горении породных отвалов в атмосферный воздух выделяются такие загрязняющие вещества, как пыль неорганическая, оксиды азота, серы, углерода, а также смолистые выбросы (углеводороды).
Горящие отвалы образуются после изъятия обломков горных пород и выбракованного угля из шахты. Большие объемы угля и углесодержащих материалов подвергаются воздействию кислорода, содержащегося в воздухе, под воздействием которого они окисляются и выделяют тепло. Если тепло не рассеивается достаточно быстро, происходит повышение температуры, вследствие чего процесс окисления и производства тепла происходит значительно быстрее и при отсутствии контроля приводит к самопроизвольному возгоранию [2].
Анализ исследований и публикаций. В настоящее время актуален вопрос повышения комплексности использования не только продукции, но и отходов производства горнодобывающих отраслей. Решению данной проблемы посвящены многие труды как отечественных, так и зарубежных ученых [2,3,9,10].
Проблема уменьшения экологического воздействия породных отвалов на окружающую природную среду на протяжении многих лет также находится в центре внимания исследователей. В их числе можно назвать научные труды М. Е. Григорюка, В. А. Меркулова [2,3]. В своих работах авторы освещают весь комплекс проблем охраны природы на предприятиях угольной отрасли.
Как известно, угольная промышленность Украины остается главной составляющей национальной экономики, а Донецкая область является регионом наибольшего сосредоточения предприятий горнодобывающей отрасли. По опубликованным данным [3] на 01.02.2006 в отрасли насчитывается 7014 стационарных источников выбросов (в том числе породные отвалы, шламонакопители, выбросы от вентиляционных установок). В отрасли эксплуатируются 497 промышленных и 352 коммунально-бытовых котельных. Общее количество эксплуатируемых котлоагрегатов - 1383 ед., из которых 1280 или 92,6% используют твердое топливо. Для снижения количества выбросов в атмосферу 531 котлоагрегат (38,4% общего количества) оснащен пылеуловителями (различные типы циклонов), обеспечивающими экстракцию до 70-90% твердых фракций. Вредные газообразные вещества (оксиды азота, углерода, серы) практически не улавливаются. Только 85 из 909 (9,35%) котлоагрегатов коммунально-бытовых котельных оснащены аспирационными системами [3].
Проблемы тушения породных отвалов и предотвращения их самовозгорания освещены в работах Зборщика М.П., Осокина В.В., Панова Б.С., Проскурни Ю.А. [4,5].
Вследствие интенсивной добычи угля, которая осуществлялась в течение последних столетий на территории бассейна, произошло накопление огромного количества отходов в породных отвалах шахт. Среди неорганизованных стационарных источников особое место занимают породные отвалы, которых в отрасли на балансе предприятий насчитывается 596 (из них 169 горящие). В 2005 г. в Донецкой области эксплуатировалось 116 терриконов, из них 60 - горящие. Площадь, занятая отвалами, превышает 5 тыс. га, т.е. 0,2% общей площади области [7]. Вследствие своего химического состава, расположения и состояния породные отвалы оказывают негативное воздействие на общество и природную окружающую среду, в связи с чем уменьшение негативного воздействия породных отвалов является приоритетной задачей.
Проведенные на территории Донбасса исследования показали, что отвалы с высотой менее 30 м практически не горят, с высотой до 50 метров горят 60% отвалов, до 90 м - 87% отвалов, свыше 90 м - горят практически все породные отвалы [4,5].
Л.Г. Зубова в своих работах показывает целесообразность извлечения галлия, германия, висмута из породных отвалов [6]. В настоящее время известны способы утилизации отвальных пород в целях получения строительных материалов и углеудобрений. По данным исследовательских работ все легкие благородные и цветные металлы исчерпаются к 2100 г. Поэтому уже сейчас ставятся задачи, направленные на рассмотрение различных вариантов пополнения прежде всего этих природных ресурсов.
Вместе с тем, несмотря на наличие обширного научного материала по рассматриваемому вопросу, проблема комплексной оценки использования техногенных месторождений, в том числе Донбасса, в настоящий момент не решена. Экологическая и социально-экономическая обстановка в шахтерских городах является достаточно тяжелой, что обуславливает необходимость проведения дальнейших экономических исследований в этой области и является актуальным направлением экономической науки.
Результаты исследований. По данным Госкомстата Украины, на 01.01.2006 г. в угледобывающих районах Украины действовало 258 угольных шахт и 10 разрезов, выдавая на каждые 1000 т угля от 150 до 800 т породы, отвалы которой занимают огромные площади, приводя к интенсивному газопылевому поражению воздуха и химическому отравлению поверхностных и грунтовых вод, а также существенно изменяя гидродинамический режим и уровень подземных вод.
В настоящее время пока нет единого мнения о природе самовозгорания осадочных горных пород. Многие специалисты считают, что причиной самовозгорания пород является их взаимодействие с кислородом атмосферного воздуха. Не вдаваясь в особенности доказательств кислородной теории самовозгорания углей и углисто-глинистых пород, отметим лишь один решающий довод в пользу ее весьма недостаточной обоснованности и достоверности. За всю историю существования кислородной теории нет ни единого экспериментального доказательства, чтобы при насыщении угля кислородом произошло его самовозгорание. Имеется также ряд других предположений и попыток объяснить природу самовозгорания твердых горючих ископаемых (пиритная гипотеза разложения в угле вследствие экзотермической реакции дисульфида железа при участии влаги и кислорода, воспламенения при обычной температуре образующегося при выщелачивании пирита пирофорного железа и др.), но все они не имеют убедительных обоснований и остаются лишь предметом научных дискуссий.
На практике самовозгораются обычно влажные горные породы при слабой аэрации их поверхности. Очаги самонагревания пород часто обнаруживаются по выделениям сульфатов железа и серной кислоты. Образование этих веществ, естественно, возможно только при окислительном выщелачивании содержащегося в породах пирита.
В теоретическом плане для целостного представления о закономерностях и условиях протекания в горных породах опасных и вредных геохимических процессов и существенных связях действительности самонагревания и самовозгорания пород сотрудниками Донецкого национального технического университета был выполнен комплекс исследований [8].
Следует также особо отметить, что тушение и рекультивация породных отвалов - одна из важнейших экологических задач, стоящих перед предприятиями угольной отрасли.
Основными методами предотвращения самовозгораемости породных отвалов являются:
> контролируемое размещение углесодержащих слоев с послойным размещением инертного материала;
> ограничение высоты отвалов до 15 метров максимум;
> покрытие последнего слоя слоем инертного материала;
> уплотнение верхнего и промежуточных слоев;
> распределение углеродистых материалов для предотвращения накопления тепла и попадания воздуха;
> изоляция горячих точек слоем глины для управления процессом самовозгорания;
> быстрое восстановление растительного слоя.
Ниже, на рис. 1, схематически показана структура породного отвала, в котором материалы, способные окисляться, изолированы при помощи нейтральных отходов.
Существующее планирование и снижение экологических рисков в Донецкой области являются неадекватными. Более того, методы разработки породных отвалов существенно отличаются от тех, которые применяются в ведущих странах горнодобывающей промышленности, что приводит к менее значимым результатам. В связи с этим необходимо отметить, что в Украине новые подходы могут сыграть важную роль для существенного улучшения ситуации.
Можно отметить следующие современные методы для внедрения их на отечественных предприятиях горнодобывающей отрасли:
> создание форм рельефа;
> переформирование породных отвалов;
> методы предотвращения возгорания отвалов;
> методы тушения пожаров;
> управление кислото- и солесодержащими отходами;
> изменения состава почв;
> регулирование стоков;
> методы восстановления растительного покрова;
> учет конечного использования земель.
Недостаток необходимых законодательных механизмов для передачи в пользование освобождаемых шахтами земель является существенным препятствием для их восстановления и препятствием для деятельности по получению экономической выгоды при переработке угольных породных отвалов. Это относится как к потенциальным работам по извлечению экономически выгодных материалов, так и к альтернативному использованию земель, после того как отвал будет переработан или приведен в безопасное состояние. Улучшение законодательных рамок относительно определения ответственности и собственности объектов является жизненно важным для снижения рисков, ассоциируемых с шахтными объектами в регионе.
Хорошо спланированное постепенное восстановление растительного покрова на породных отвалах в процессе их рекультивации позволит предотвратить в большинстве случаев самовозгорание отвалов. В большинстве случаев пошаговое изменение формы склонов и восстановление растительности также очень эффективны. Основной мотивацией для выполнения таких работ является именно то, что они менее затратны по сравнению с дорогостоящими мерами по тушению горящих породных отвалов.
Альтернативным методом предотвращения возгораемости является заливка жидким раствором золобетона. Цель - устранить доступ кислорода к очагу путем заполнения пустот перед укладкой почвы.
Можно выделить следующие основные аспекты, связанные с ликвидацией породных отвалов:
> изначально запланированное создание ландшафтных форм и восстановление растительного покрова;
> формирование и регулирование отвалов для предотвращения их самовозгорания;
> формирование ландшафтных форм, которые будут существовать после завершения работ;
> разработка микротопографии и стратегии по восстановлению растительного покрова на ликвидируемых породных отвалах.
В настоящее время обсуждаются три основных подхода экономической целесообразности переработки угольных породных отвалов:
> извлечение угля для продажи электростанциям или в качестве добавки к угольным брикетам с целью повышения их энергетической ценности;
> получение материалов, пригодных для строительства зданий, дорог, а также извлечение материалов, которые могут использоваться в качестве наполнителей;
> переработка породных отвалов с целью извлечения редкоземельных металлов: германий, алюмосодержащие минералы, железная руда.
Созданная в ОАО «НИИГМ им. М.М.Федорова» научно-исследовательская экологическая лаборатория, которая входит в состав Научно-исследовательского центра экологической безопасности (НИЦЭКБ), также занимается вопросами, направленными на уменьшение негативного воздействия породных отвалов на окружающую природную среду, а именно:
> разработкой проектов тушения, переформирования и озеленения породных отвалов;
> подготовкой технических решений по улучшению экологической безопасности предприятий;
> проведением оценки влияния закрытия шахт на окружающую среду;
> проведением инвентаризации выбросов загрязняющих веществ от стационарных источников предприятий;
> оформлением документов для разрешения на выброс загрязняющих веществ от стационарных источников;
> проведением инвентаризации производственных отходов;
> оформлением и утверждением реестровых карт производственных отходов.
> разработкой удельных нормативов предельно допустимого уровня влияния стационарных источников на состояние атмосферного воздуха в зоне влияния предприятий;
> оформлением паспортов производственных отходов;
> оформлением инструкции обращения с производственными отходами;
> оформлением паспортов мест удаления отходов и технологических регламентов на утилизацию производственных отходов.
Выводы. Систематизируя полученные результаты исследований, можно выделить 5 основополагающих направлений уменьшения негативного воздействия породных отвалов на природную среду, которые могут быть успешно применены для получения экономической и экологической выгоды государственными и частными предприятиями.
1. Для улучшения экологической и социально-экономической ситуации в шахтерских городах необходимо создавать предприятия по комплексной переработке техногенных месторождений, образовавшихся в результате деятельности угольной промышленности. В результате правильной государственной политики в этом вопросе и применении передового зарубежного опыта будет снижен уровень безработицы, сокращен объем выбросов пыли, оксидов серы и азота с породных отвалов, что позволит высвободить значительные площади, занятые в настоящее время породными отвалами.
2. Для обеспечения эффективной деятельности предприятий по переработке техногенных месторождений нужно обеспечить комплексность разработки техногенных месторождений с получением основной продукции (сортовой уголь) и ряда попутных полезных компонентов (щебень разных фракций) с максимальным использованием горной массы разрабатываемого месторождения и минимальным загрязнением окружающей среды, с использованием образующихся твердых отходов обогащения, а также с применением надежного модульного отечественного оборудования для переработки техногенных месторождений.
3. Предприятия по комплексной переработке техногенных месторождений способны эффективно работать, выпуская несколько видов продукции, конкурентоспособной на отечественном рынке. В первую очередь, это уголь разных марок (антрацит кулак-орех, мелочь, семечко, штыб) и щебень нескольких фракций, а также присадки к цементу. Отходы процесса переработки будут использоваться для засыпки провалов земной поверхности.
4. Разработка техногенных месторождений позволит перейти к рациональному природопользованию с обеспечением взаимосвязей разных экологических и социально-экономических факторов с целью снижения негативного влияния последствий деятельности горных предприятий на окружающую среду при условии учета интересов социально-территориальной общности.
5. Для стимулирования рационального природопользования предприятий по разработке техногенных месторождений необходимо совершенствовать механизм взаимодействия этих предприятий с региональными и местными органами власти.
Литература
1. Постанова КМ України від 13.12.2001 р. №1655 "Про затвердження Порядку ведення державного обліку в галузі охорони атмосферного повітря"
2. Меркулов В. А. Охрана природы на угольных шахтах. - М.:Недра, 1981. -182 с.
3. Григорюк М. Е. Угольное производство как составляющая техногенной нагрузки // Уголь Украины. - 2006. - №2. - С.31-32.
4. Зборщик М. П., Осокин В. В. Предотвращение самовозгорания горных пород. - К.: Техника, 1990. - 176 с.
5. Панов Б. С., Проскурня Ю. А. Модель самовозгорания породных отвалов угольных шахт Донбасса // Геология угольных месторождений: Межвуз. научн. тематич. сб. - Екатеринбург, 2002.- С. 274-281
6. Зубова Л. Г. Терриконики угольных шахт - источники сырья для получения галлия, германия, висмута // Уголь Украины. - 2004. - №1. -С.41-42.
7. Третьяков С. В. Антропогенное воздействие на природную среду/ Доклад о состоянии окружающей природной среды в Донецкой области в 2005 г. // Земля тривоги нашої. - Донецк, 2006. - 108 с.
8. Зборщик М.П., Осокин В.В. Горение пород угольных месторождений и их тушение. - Донецк: ДонНТУ, 2000. - 180 с.
9. Лоренс Д. Оптимизация процесса закрытия шахт // Журнал для чистого производства. - 2006. - №14(3-4). С. 285-298.
10. Томпсон С. Оценка рисков для шахт// Конференция по вопросам здоровья и безопасности: Квинслендская горная промышленность. - Австралия.
Статья рекомендована к публикации канд. техн. наук В.А.Стешенко