Мальченко А.К. гр ГР-98
Донецкий национальный технический университет
Посилення вимог до охорони навколишнього середовища обумовлює розширенння робіт вивченню токсичиих та потеційно токсичниІх елементів в угіллі, вміщаючих порід, продуктів вуглевидобутку та переработки вугылля, небезпечних забрудненням навколишнього середовища та порушенням екологычної рівноваги.
Основними елементами, які при масовому спалюванні вугілля забруднюють навколишнэ середовище є: S, Ве, As, F-
для котрих відомі високі вмісти токсичних сполучень в повітрі, воді, які перевищують гранічно допустимі концентрації ГДК. Крім того, існує небезпека місцевого забруднєння навколишнього середовища за рахунок Рb. Ni, Мn. Сг. V, Сo сполучення котрих відносятся до потенційно токсичних.
На території Донецько-Макеівського геолого-промислового району при дослідженні вмісту токсичних елементів в вугіллі відзначені перевищення норм ГДК Аs в 1,6, Be в 1,4, Мп в 70 , Рb в 14, V в 2, Сг 2 рази. В гірничий масі відзначені перевищення норм ГДК. В продуктах та відходах вугледобутку перевищення відзначалось на всіх збагачувальних фабриках району.
Ці факти обумовлюють наявність в грунтовому покриві та підземних водах району. Аналіз розподілу цих зон показує, що основна роль в забрудненні навколишного зередовища належить видобутним та збагачувальним підприємствам.
Актуальність теми роботи обумовлена потребою рішення питань охорони навколишного середовища за рахунок впровадженя в виробництво науково- обгрунтованих методів прогнозування вмісту токсичних елемєнті в вугіллі, гірничній масі, та своєчасно знизити вміст цих елементів у товарній продукцій.
Мета дослідження – розробка методик прогнозування та моделювання вмісту токсичних елементів в системи вугілля-гірнича маса- продукти збагачення.
Для досягнення мети неохідно було вирішити ряд завдань:
-оцінити та визначити закономірності розподілу токсичних елементів у вугіллі, вміщуючих породах, гірничий масі та продуктах збагачення:
- встановити геохімічні асоціації токсичних елементів у вугіллі:
- провести типізацію вміщуючих порід, як збагачуючих, так і розубожуючих гірничу масу токсичними елементами:
- розробити методи прогнозування та моделювання вмісту токсичних елементів в гірничий масі та продуктах збагачення. Наукові положення:
1. Тісні кореляційні зв'язки між токсичними елементами дозволяють використовувати їх для прогнозування вмісту цих елементів у вугіллі району.
2. Регульоване поступлення вміщюючих порід в гірничу масу є керованим параметром ЇЇ токсичності.
3. Генетичні зв'язки токсичних елементів з органічною та мінеральною частиною вугілля дозволяють прогнозувати вміст цих елементів в продуктах збагачення.
Наукова новизна отриманих результатів полягас в тому, що для Донецько-Макеївського геолого-промислового району вперше- встановлені геохімічні асоціації токсичних елементів у вугіллі:
- розроблені методики прогнозування вмісту токсичних елементів в гірничий масі та продуктах збагачення;
- запропоновані методики моделювання вмісту токсичних елементів у вугіллі, вмішюючих породах, які є у видобутку, гірничої масі та продуктів збагачення,
Практичне значення робота полягає в розробці та впровадженні у виробництво методів прогнозування та моделювання вмісту токсичних елементів в гірничий масі та продуктах збагачення, що дозволяють завчасно передбачати виконання технологічних заходів по зниженню вмісту цих елементів нижче норм ГДК.
Результати роботи впроваджені на наукових конференціях з метою поліпшення якості пального, що видобувається; Апробація результатів роботи. Основні результати роботи доповідались на екологічній конференції студентів та аспірантів, що проходила у ДонНТУ у 2002, 2003рр.
РОЗДІЛ 1 АНАЛІТИЧНИЙ ОГЛЯД ТА ЗАВДАННЯ ДОСЛІДЖЕНЬ
Питанням геохімії процесів утворення вугленосних покладів, розповсюдженню токсичних елементів в вугіллі та вміщуючих породах присвячені роботи Перельмана О.І., Кізільштейна Л.Я., Горового А.Ф., Ненахової Н.Ф., Юровського А.З., Клер В.Р., Барни Т.В., Ішкова В.В.
Розробці методів прогнозування величин забруднення вугілля вміщуючими породами присвячені роботи Широкова А.З., Свержевського В.Л., Смірнова Б.В., Доброгорського М.О., Нагорного Ю.М., Сафронова І.Л.. Ішкова В.В.
Питанням прогнозування вмісту мінеральних компонентів при збагаченні вугілля присвячені роботи Разумова К.А., Артюшина М.А., Грановського Ю.В., Митрофанова С.І., Землякова Б.О.
Аналіз робіт, присвячених питанням розповсюдження токсичних елементів свідчить, що в Донбасі існують різні рівні вивченості розподілу цих елементів
углі та вмішуючих породах в різних районах басейну. Огляд робіт також показав, що більшість авторів виділяє комплекс елементів кісними методами з використанням лінійного коефіцієнта кореляції, шо робить отриману інформацію ненадійною та залежною від одиниць виміру вмісту елементів.
Класифікація та аналіз робіт, присвячених прогнозуванню величин забруднення вміщуюючими породами вугілля показав, що в практиці прогнозних методів можна виділити: геолого-д і агностичний, геолого-стати стичний, геолого-геофізичний і метод аналогій. Із перерахованих методів найбільш припустимим для гірничо-геологічних та гірничо-технічних умовДонецько-Макіївського району є апробований на шахтах геолого-статистичний метод.
Огляд наукових робіт з питань збагачення вугілля дозволив встановити, що в цей час увага звернута до питань прогнозування зольності у продуктах переробки вугілля, та практично відсутні роботи, щодо прогнозування вмісту токсичних елементів (ВТЕ) в продуктах збагачення вугілля.
Аналітичний огляд наукових робіт з питань прогнозування вмісту токсичних елементів у вугіллі, гірничий масі, продуктах збагачення дозволив встановити існування важливої наукової та практичної проблеми, сформулювати мету та завдання. які наведені в загальній характеристиці дисертації.
РОЗДІЛ 2 МЕТОДИКА ВИКОНАННЯ РОБІТ
Для досягнення поставленої мети були досліджені на ВТЕ в вугіллі тав міщуючих породах 876 аналізів, отримані при перетині геологорозвідувальних свердловин. 121 аналіз на ВТЕ в гірничий масі, 69 аналізів на ВТЕ в продуктах Загачення вугілля. Були проаналізовані 287 каротажних діаграм та нормальних трати графічних розрізів, детально вивчені 53 зразка та 24 дубліката зразків керна озвідувальних свердловин. Автором були відібрані на шахтах Днецько-Макіївського геолого-промислового району для дослідження ВТЕ: в вугіллі 48 роб, 31 проба на ВТЕ в гірничій масі, 39 проб на ВТЕ в продуктах збагачення, 25 роб на вугільних складах. Проби були відібрані також на вугільних складах шахт а збагачувальних фабриках відповідно до ГОСТ 9815-75, ГОСТ 10442-71 та ГОСТ 6094-78. Визначення погрішності відбору та обробки проб проводилося у відповідності з СТ СЗВ 4384-83. Всі проби аналізувались у лабораторіях орлівської та Артемівської ГРЕ.
Другий етап полягав у проведенні лабораторних досліджень вугілля углепетрографічними та мінералогічними методами. Статистична обробка
результатів спектральних аналізів виконувалась з використанням програм STATGRAF 98, Ехсеl 97, SРSS 7.0 та включала:
а) розрахунок основних статистичних характеристик емпіричних розподілень токсичних елементів (середніх та модальних значень, дисперсії, коефіцієнтів варіації, асиметрії, ексцесу та інші);
б) розрахунок та аналіз коефіцієнтів лінійної та гама-кореляції, кореляції Спірмена та Канделла з метою виявлення парагенетични.х асоціацій токсичних елементів;
в) ранжування величин кореляційних зв'язків та розрахунок рівняння регресії оптимально апроксимуючих залежностей між елементами, які входять в асоціацію;
г) виконання дискримінантного та кластерного аналізів з метою встановлення рядів спорідненості токсичних елементів з органічною речовиною вугілля в усіх робочих пластах Чистяково-Сніжнянського району. Це дозволило виявити геохімічні асоціації без використання гіпотетичних припущень відносно виду функції розподілення їх генеральних сукупностей та одиниць виміру. Об'єднання елементів проводилось при наявності двох коефіцієнтів кореляції не менш 0.5 та довірчої ймовірності 95%.
При оцінці зв'язку токсичних елементів з органічною та мінеральною частинами вугілля були використані коефіцієнти: спорідненості з органічною частиною, приведеною концентрацією та приведеним витяганням, на основі яких була проведена типізація вміщуючих порід, як збагачуючих та розубожуючих гірничу масу токсичними елементами.
При розробці короткострокового прогнозування, методики моделювання ВТЕ в гірничий масі та продуктах збагачення вугілля був використаний метод статистичного планування -«чорний» ящик з апріорним уявленням про об'єкти досліджень. Адекватність моделі перевірялась за критеріями Фішера, Стьюдента.
При середньостроковому прогнозуванні токсичності гірничої маси для визначення прирощення потужності тої, що виймається, був використаний геолого-статистичний метод прогнозування В. Г О. «Донбасгеологія», апробований на шахтах Днецько-Макіївського геолого-промислового району.
Об'єктами дослідження були поклади вугленосної формації Днецько-Макіївського геолого-промислового району. З метою поліпшення вірогідності та точності характеристик та закономірностей, що досліджувались, було проведено районування площі, головним критерієм якого стали гірничо-геологічні та вутлепетрографічні особливості шахтопластів.
Використання даного обсягу фактичного матеріалу, комплексного методу досліджєнь дозволило отримати достовірні результати цієї роботи.
РОЗДІЛ З
ЗАКОНОМІРНОСТІ РОЗПОДІЛУ ТОКСИЧНИХ ЕЛЕМЕНТІВ В ВУГІЛЛІ ТА ВМІЩУЮЧИХ ПОРОДАХ ДОНЕЦЬКО-МАКІЇВСЬКОГО ГЕОЛОГО-ПРОМИСЛОВОГО РАЙОНУ
Аналіз результатів дискримінантного та кластерного аналізів, розрахованих оефіцієнтів спорідненості з органічною частиною, приведеної концентрації та риведеного витягання дозволив встановити ряди спорідненості токсичних лементів з органічною частиною вугілля по пластах:
на північній площі Ве > Мі, V, Сг, Со >, Аs, Р, Мn, РЬ; Ве, Мп > Мі, V. Сг, Со > Нg, Р, РЬ; Ве. Мп > V, Ni, Сг, Со > Нg, Р; РЬ;
на східній площі: Вe, Мп > Ni, V. Сг, Со > Р, РЬ ;V - Ве, Мп > Hg, V. Сг. Со, Аs, Р, РЬ, Ве, Мп > Nі, V. Сг, Со > Нg. Аs, Р, РЬ, Ве, Мп > Р. РЬ. Со:
На площі району були встановлені такі основні закономірності розподілу токсичних елементів в вугіллі та продуктах збагачення, та їх геохімічні асоціації:
Коефіцієнт зустрічі в антрацитах району від от 0 до 80%. Перевищення ГДК в вугіллі району не відзначено, у вміщуючих породах воно характерно для сланців вуглистих, глинистих та піщаних північно-східної та південно-західної площ.
В асоціацію входять: 5 - коефіцієнт кореляції від 0,537 до 0,74
Максимальний вміст Нg в продуктах збагачення спостерігається у фракціях із зольністю 6,2 - 14,7%: а) ЦЗФ К2 = 0,565.
Аз. Коефіцієнт зустрічі - від 0 до 80%. . У вміщуючих породах перевищень ГДК не відмічено.
В асоціацію Аз входять: 8 - г від 0,501 до 0.689
Ве. Коефіцієнт зустрічі - від 45 до 100%. Перевищення ГДК у вміщуючих породах перевищення не відзначалось.
ПарагенетичнІ асоціації токсичних елементів обусловлені близькістю : ковалентних радіусів атомів, величинами електронсгатнвності, координаційними ; числами, значеннями міжатомних відстаней, взаємною компенсацією при ' Ізоморфізмі.
Визначені на площі Днецько-Макіївського геолого-промислового району закономірності розподілу та асоціації токсичних елементів дозволяють прогнозування вміст цих елементів \ вугіллі.
ВИСНОВКИ
При виконанні роботи були отримані наступні основні наукові га практичні результати:
1. На площі Днецько-Макіївського геолого-промислового району були виявлені ряди спорідненості токсичних елементів з органічною частиною вугілля, встановлені закономірності зміни ВТЕ в залежності від зольності; в продуктах збагачення; по спаду та простяганню; виявлені геохімічні асоціації вугілля, проведена типізація вміщуючих порід.
2. Розроблені методики прогнозування ВТЕ:
а) в гірничий масі, які відрізняються за часом попередження: короткострокове - для діючих забоі'в, середи ьострокове - для дільниць, що плануються до видобутку. В основі прогнозування - дані про потужність, щільність та ВТЕ в вугіллі, вміщуючих породах. Відмінність прогнозування - у визначенні потужності шару, який забруднює вугілля. Короткострокове базується на фактичному значенні п в діючих забоях, серелньострокове - на визначеному значенні п при використанні апробованого на шахтах району геолого-статистичного методу;
б) в продуктах збагачення з урахуванням генетичних зв'язків цих елементів з органічною та мінеральною частинами вугілля.
3. Запропонована у випадках перевищення норм ГДК токсичними елементами вміщуючих порід методика контролю з розрахунком норми забруднення.
4. Розроблені методики моделювання ВТЕ:
а) в гірничий масі з обмеженням обсягу маси, що добувається з урахуванням транспортних та технологічних обмежень в режимі усереднення
б) в продуктах збагачення з обмеженням обсягів гірничої маси шахт, які відгружають продукцію на збагачувальні фабрики з урахуванням мінімальної та максимальної продуктивності живильника бункера.
Проведені експериментальні роботи показали задовільну с>-місність прогнозованих та фактичних значень з відносною похибкою: для короткострокового прогнозування - 10%, середньострокового прогнозування - 30%, прогнозування ВТЕ в продуктах збагачення - 25%.
На основі приведених результатів автор рекомендує широко використовувати наукові та практичні результати при проведенні геологорозвідувальних та вугледобувних робіт на площі Днецько-Макіївського геолого-промислового району, що сприятиме підвищенню як ефективності розвідувальних робіт, так і екологічної безпеки добутого вугілля.
АНОТАЦІЯ
Мальченко А.К. Оцінка та прогнозування вмісту токсичних елементів в вугілля (на прикладі Днецько-Макіївського геолого-промислового району)
Робота на здобуття наукового ступеня магістра
Робота присвячена геохімічним асоціаціям та закономірностям розподілу токсичних елементів, прогнозуванню їх вмісту в гірничій масі, які розрізняються за часом попередження: короткострокове - для діючих забоїв, середньострокове - для дільниць, що плануються до видобутку. Запропоновано методику прогнозування вмісту елементів в продуктах збагачення (теоретичний баланс) вугілля з урахуванням генетичних зв'язків цих елементів з органічною та мінеральною частинами вугілля. Методи моделювання вмісту дозволяють передбачити виконання технологічних заходів до зниження вмісту цих елементів в гірничий масі та продуктах збагачення вугілля менше норм ГДК.
Ключові слова: токсичні елементи, геохімічні асоціації, прогнозування.