Восстановление биологического разнообразия в выработанных пространствах карьеров

Аннотация

Костенко В. К., Завьялова Е. Л., Чепак О. П. Восстановление биологического разнообразия в выработанных пространствах карьеров Предложен способ позволяющий ускорить восстановление биологического разнообразия в выработанных пространствах карьеров путем очистки атмосферы и гидросферы, возрождения флоры и фауны на основе круглогодичного управления состоянием потоков карьерных вод за счет использования геотермальной энергии.

Индустрия по производству цемента дает вклад в общемировую эмиссию СО₂, вызванную антропогенными факторами, в размере 5%. Это определяет необходимость осуществления мероприятий по сокращению выбросов парниковых газов в окружающую среду. Кроме того, производство цемента сопряжено с выделением громадного объема аэрозолей и загрязнением сточных вод.

Благодаря значительным запасам полезных ископаемых, расположенных близко к дневной поверхности, развитой индустриальной базе на большинстве предприятий цементной промышленности используют открытый способ разработки полезных ископаемых. Он является наиболее перспективным в технологическом и экономическом отношениях. Вместе с тем на украинских и зарубежных предприятиях недостаточен уровень природоохранных и ресурсосберегающих технологий. Остающиеся после выемки исходного сырья, например, мела или мергеля, выработанные пространства представляют собой лунный безжизненный пейзаж – лишенные плодородного почвенного слоя впадины со склонными к эрозионному разрушению бортами. Самопроизвольное восстановление флоры и фауны на этих территориях занимает сотни лет, а иногда остается невозможным.

Необходима технология интенсивного восстановления, а возможно улучшения по сравнению с первоначальным состоянием биологического разнообразия на остающихся после выемки полезного ископаемого территориях. С другой стороны, эта технология должна соответствовать требованиям малой затратности и, по возможности, хотя бы частичной окупаемости.

Актуальными представляются следующие цель и задачи исследований.

Цель: ускоренное восстановление биологического разнообразия в выработанных пространствах карьеров путем очистки атмосферы и гидросферы, возрождения флоры и фауны на основе круглогодичного управления состоянием потоков карьерных вод за счет использования геотермальной энергии.

Основные задачи: обеспечение круглогодичного уменьшения негативного воздействия предприятий цементной промышленности на окружающую среду, и сохранение и развитие биологического разнообразия в выработанных пространствах карьеров путем стабилизации теплового режима их гидросферы и обеспечения позитивных условий существования биоты.

Для очистки загрязнённых вод Амвросиевского карьера авторами предложено следующее техническое решение. Для круглогодичного управления потоками карьерных вод предлагается усовершенствовать способ биологической очистки карьерных вод растениями с увеличением длины маршрута и продолжительности очистки путем стабилизации температуры, протекающей по руслу воды, за счет использования геотермальной энергии (рис.1).

Водоносный горизонт, с которого происходит основной водоприток в карьер, показан с левого борта карьера. Выработанное пространство схематично представлено в виде прямоугольника. В центре выработанного пространства располагается основная дамба, сооружаемая из железобетона или насыпная, из не склонных к размоканию материалов, например из кусков песчаника, известняка, отработанных автомобильных скатов, строительных или других отходов четвертого класса.

Основная функция дамбы – разделить дно карьера для придания кругового движения водному потоку, тем самым увеличив расстояние течения воды и обеспечив продолжительность её физической и биологической очистки. Для увеличения длительности прохождения воды через карьер, тем самым увеличения степени очистки воды, созданы вспомогательные дамбы, разделяющие верхнюю и нижнюю часть карьера. Вспомогательные дамбы расположены в шахматном порядке. В областях расположения дамб проектируется образование болотистой среды с обильной растительностью. Основой дамбы будут служить бетонные блоки или каменистые насыпи из не склонных к размоканию горных пород, перекрытые слоем чернозёма. Для минимизации эрозии и вымывания почвы поверхности дамб засеяны растениями.

Для круглогодичной очистки воды по руслу водотока справа и слева от вспомогательных дамб предлагается пробурить скважины глубиной 50–100 м, располагая в них вертикальный скважинный коллектор труба в трубе. В этом случае пластиковая труба (диаметром 32–50 мм) проходит по оси стальной (диаметром 100–120 мм), заваренной внизу. Вода из водоносного горизонта через конфузор попадает в межтрубное пространство и за счет скоростного напора движется вниз по трубе. По мере продвижения происходит теплообмен между стенкой металлической трубы с температурой вмещающих пород и водным потоком, в результате чего температура воды повышается. В нижней части трубы поток за счет скоростного напора и разности плотностей нагретой и холодной воды меняет направление на 180 градусов и поднимается по внутренней пластиковой трубе на поверхность. Расстояние между скважинами должно быть не меньше 10–15 м. Такая конструкция успешно сопротивляется подвижкам грунта и обеспечивает хорошую теплопередачу (рис.2).

Температуру на глубинах более 15 м принято считать постоянной. Для условий Донбасса она составляет, в среднем +15 °С. С увеличением глубины на каждые 33 м происходит постепенное повышение температуры на 1 °С, т.е. на 100 м, она может достичь +16–18 °С. Среднегодовая температура на поверхности составляет +10,1 °С при диапазоне колебаний от –25 до +45 °С. Поскольку породы, подстилающие мергели, на большей части месторождения представлены песчаниками и аргиллитами карбона, средний коэффициент теплопроводности которых составляет 3,4 Вт/(м град), то удельный теплосъем для песчаника составит q = 17 Вт/м.

Для увеличения удельного теплосъема предлагается пространство между стенкой скважины и вертикальным коллектором заполнить составом, теплопроводность которого выше теплопроводности вмещающих коллектор пород. В качестве теплопроводной смеси была выбрана глино-графитовая смесь с содержанием графита 50% вес. из-за своих исключительных теплопроводных свойств и относительной низкой стоимости (15,89 Вт/(м град)) [1]. Использование глинографитной смеси позволит увеличить удельный теплосъем более чем в 5раз (q = 95,4 Вт/м).

В отстойниках для подогрева воды за счет геотермальной энергии необходимо разместить скважины, заполненные теплопроводным составом, в качестве которого также может быть использована глино-графитная смесь. В результате в холодный период года вода будет подогреваться за счет геотермальной энергии, а в жаркий охлаждаться. Нагрев воды до необходимой температуры (10–16 °С) и поддержание этой температуры круглый год позволит создать комфортные условия для жизнедеятельности гидробионтов круглогодично [2].

Содержащийся в очистном сооружении ресурс воды будет выполнять круглогодично функцию очистки атмосферы путем растворения диоксида углерода и других газов с последующим усвоением их растениями для строения и питания клеток. Кроме того, на поверхности воды оседают аэрозоли, количество которых в околозаводском воздухе при производстве цемента весьма велико.

Отсутствие промерзания мелководных потоков в зимнее время позволит предотвратить замор рыбы, гибель водорослей и моллюсков. Незамерзающий водоем может быть использован водоплавающими птицами как место зимовки. В летний период в результате охлаждения воды в мелководной части карьера также улучшатся условия для жизнедеятельности гидробионтов. Кроме того, снижение температуры будет способствовать аэрации воды, что положительно скажется на условиях жизни биоты.

Таким образом, будет происходить ускоренное восстановление биологического разнообразия в выработанных пространствах карьеров.

Список использованной литературы

1. Усовершенствование технологии извлечения тепла недр в условиях Донбасса. / А. С. Шипика, И. В. Скринецкая, Е. Л. Завьялова «Комплексне використанння природних ресурсів»: V регіонал. конф., 6 грудня 2012 р.: зб. доповідей студентів та аспірантів. – Донецьк: ДонНТУ, 2012. – С. 23–28.
2. Костенко В. К. Патент на винахід № 82121 Україна МПК F24 J3/08, F03 G41/00 «Спосіб одержання геотермальної енергії». / В. К. Костенко, О. В. Костенко, Т. В. Костенко, заявник і власник ДонНТУ. – № u200603145; заявл. 03.04.2006; опубл. 11.03.2008, бюл. № 5.