Чудновец Виктория Леонидовна

Факультет: Геотехнологий и управления производством

Специальность: Экология в горном деле

Тема выпускной работы:

Обоснование направлений комплексного использования шахтной породы в качестве вторичного сырьевого ресурса

Научный руководитель: к.т.н., проф. каф. экологии и природоохранной деятельности Артамонов Владимир Николаевич

Реферат по теме выпускной работы

Введение

Цель – разработать технологические решения по комплексному использованию шахтной породы в условиях ГП «Шахта имени М.Горького» за счет снижения вредного воздействия на окружающую среду.

Задачи:

1. Анализ состояния исследований в области комплексного использования породы.

2. Обоснование направлений по повышению эффективности рационального использования шахтной породы, как для внутришахтных нужд, так и для народнохозяйственных целей.

3. Выполнить экономическое обоснование принятых технологических решений по оставлению породы в шахте.

Объект исследования – ГП «Шахта им. М.Горького».

Предмет исследования – технологии по комплексному использованию породы в условиях шахты.

Методы исследования – аналитический, моделирования и прогнозирования, статистической обработки данных, технико-экономических расчетов.

Актуальность проблемы

Горнодобывающая промышленность является одной из важнейших отраслей производства в нашей стране. Она как составная часть топливно-энергетического комплекса Украины удовлетворяет значительную часть потребности страны в энергетическом топливе и технологическом сырье.

На территории Донбасса уже более 200 лет производится подземная добыча угля. Шахтные комплексы изменяют до неузнаваемости естественные ландшафты.

На угледобывающих и углеперерабатывающих предприятиях наряду с производством основной продукции (углем, угольным концентратом) образуется большое количество газообразных, твердых и жидких отходов (шахтный метан, порода, хвосты обогащения, сточные воды). Указанные отходы отрицательно влияют на результаты хозяйственной деятельности предприятий, поскольку требуют затрат на их сбор, транспортирование, хранение, а также осложняют экологическую обстановку в районах размещения шахт.

Существенное влияние на природную окружающую среду оказывает выдача и переработка горной массы и пород от проведения горных выработок, которые выражаются в занятии земель под отвалы, нарушении естественного ландшафта земной поверхности, загрязнении атмосферы твердыми и газообразными примесями, загрязнении водоемов шламовыми водами. Каждая тысяча тонн подземной добычи сопровождается выдачей на поверхность 110-150 м³ пород, тысяча тонн обогащения угля – складированием 100-120 м³ пород. Техногенная нагрузка на единицу территории в Донецкой области более чем в 9 раз превышает среднюю по Украине [1].

На территории региона более 691 терриконов. Почвы, запечатанные под отвалы и, не выполняющие свои экологические функции, на территории Донбасса составляют несколько тысяч гектар.

Утилизация и использование отвальной породы – одно из направлений прекращения вредного воздействия терриконов на окружающую среду и восстановления ландшафтов. Кроме известных способов использования породы с целью получения строительных материалов и удобрений новые направления утилизации еще не достаточно разработаны. В отвалах угольных шахт много запасов некоторых металлов, соизмеримых по объему с природными месторождениями полезных ископаемых, получение которых для Украины будет экономически выгодным, тем более что в настоящее время многие из минеральных ресурсов уже исчерпаны, что является одной из глобальных проблем. В ближайшем будущем все запасы благородных и цветных металлов, железа будут исчерпаны. Поэтому именно сейчас актуально рассматривать отходы горного производства, как альтернативный вариант пополнения природных ресурсов [2].

Также необходимо оставлять в выработанном пространстве шахтную породу в виде закладочного массива для поддержания кровли и чтобы она не выдавалась на поверхность и не накапливалась в породных отвалах, т.е. не создавала экологическую опасность окружающей среде.

Актуальность решения комплекса задач рационального использования ресурсов и охраны природы непосредственно связана с возрастающими масштабами общественного производства, вовлечением в хозяйственный оборот огромных объемов минерального топлива и сырья. Одним из основных факторов, определяющих необходимость дальнейшего крупномасштабного освоения угольных ресурсов, является их доминирующее положение по запасам в сравнении с другими горючими ископаемыми [7].

В связи с выше изложенным, возникает актуальная научная задача разработки и обоснования направлений использования шахтной породы, как для внутришахтных нужд, так и для народнохозяйственного комплекса. Определение параметров охранных сооружений позволяет выявить наиболее экономически выгодный и более надежный способ охраны выработок, подходящий по области применения к условиям шахты.

Научная новизна и практическая ценность работы

Научная новизна состоит из следующих аспектов:

1. Разработка и обоснование нового способа крепления выработанного пространства – бутокрепи.

2. Разработка методики моделирования с гибкой оболочкой искусственного сооружения – бутокрепь.

3. Формирование технологических схем охраны подготовительных выработок с применением бутокрепи.

4. Прогнозирование количества необходимой породы для возведения искусственных сооружений и выдаваемой на поверхность.

5. Эколого-экономическое обоснование новых методов комплексного использование шахтной породы.

Практическая ценность работы – применение бутокрепей и бутостоек позволяет снизить деформации массивов и земной поверхности. Применение породы в шахте для закладки выработанного пространства или возведения охранных полос позволяет решить сложные технические вопросы, такие как предотвращение завалов и эндогенных пожаров, снижение выбросоопасности и температуры шахтного воздуха, уменьшение затрат на ремонт подготовительных выработок и создания условий для их безремонтного поддержания.

Обзор исследований по теме

Существует ряд опубликованных статей посвященных данной теме, которые публиковались в журнале «Уголь Украины» и «Экологический вестник».

В статьях журнала «Уголь Украины» этой проблеме были посвящены следующие статьи:

1. Терриконики угольных шахт – источники сырья для получения галлия, германия, висмута.

2. Комплексное решение экологических проблем в крупных промышленных регионах.

3. Получение высококачественного топлива из породных отвалов.

4. Перспективы и направления развития угольной промышленности.

5. Утилизация отходов хозяйственной деятельности угольных предприятий.

6. Схема закладки выработанного пространства шахт с помощью нетрадиционных средств.

7. Некоторые особенности горения террикоников Донбасса и т.д.

В источнике литературы [2] приведены две принципиальные схемы комплексной безотходной утилизации отвальной породы. По первой схеме утилизации предусматривает возможность получения из отвалов галлия, германия, висмута из сульфидов, отделенных от остальной породы методом флотации. По второй схеме получение металлов осуществляется из всей отвальной породы путем биохимического окисления изменяющегося в ней пирита.

Были также некоторые разработки по данной проблеме моего научного руководителя со своими предыдущими студентами: разработаны технологические схемы крепления с использованием породы для разных горно-геологических условий, и смоделированны элементы крепления этих схем; предложены методики принятия технологических решений по использованию породы отвала; был сделан прогноз изменения параметров породных отвалов угольных шахт; предложены мероприятии по снижению негативного воздействия породных отвалов на окружающую среду.

Тема моей магистерской очень актуальна на сегодняшний день, но достаточно не изучена, так как требует значительных материальных вложений, потому что отдельные процессы малоотходной технологии угледобычи (например, переход на полную закладку) могут оказаться в пределах отдельной шахты более дорогостоящими, чем при обычной технологии (например, при выдаче и складировании породы в отвалы на поверхности).

ОСОБЕННОСТИ РЕАЛИЗАЦИИ СИСТЕМЫ МЕРОПРИЯТИЙ ПО КОМПЛЕКСНОМУ ИСПОЛЬЗОВАНИЮ ШАХТНОЙ ПОРОДЫ В УСЛОВИЯХ ГП «ШАХТА ИМЕНИ М.ГОРЬКОГО»

В основных направлениях экономического и социального развития Украины указывается на необходимость широко использовать комплексную переработку сырья, ресурсосберегающую технику, малоотходную, безотходную и энергосберегающую технологии. Эти задачи имеют особенно важное значение для угольной промышленности, поскольку попутно с углем добывается большое количество породы, которая в основном своем объеме выдается на поверхность и складируется в отвалах.

Транспортирование породы по горным выработкам, выдача ее на поверхность и складирование, как известно, связаны со значительными затратами материальных и трудовых ресурсов.

В то же время полное использование отходов, полученных при добыче угля, не только способствуют сохранению окружающей среды, но и создает предпосылки для повышения эффективности работы угольных предприятий. Наиболее важным потребителем должна стать сама шахта, техническую политику которой нужно основывать на использовании породы для возведения различного рода опор с целью удержания боковых пород и для решения задачи предотвращения нежелательных проявлений горного давления. В то же время ухудшающаяся горногеологическая база угольных месторождений и состояния шахтного фонда требуют решения ряда фундаментальных задач инженерного и производственного характера, которые могут быть наиболее эффективно осуществлены путем закладки выработанного пространства шахтной породой [4].

Так, применение породы в шахте для закладки выработанного пространства или возведения охранных полос позволяет решить сложные технические вопросы. Положительный опыт закладки выработанного пространства породой имеется на ГП «Шахта имени М.Горького». 3десь осуществляется выемка законсервированных запасов угля под центральным районом города Донецка. Закладка выработанного пространства осуществлялась дробленой породой пневматическим способом. Выемка законсервированных запасов угля из охранного целика позволила получить экономический эффект в размере нескольких сотен тысяч гривен.

На шахте также порода используется для возведения искусственных сооружений, которые служат для охраны прилегающих выработок или создания безопасных условий их погашения.

Тип искусственного сооружения и его параметры зависят от прочностных свойств пород и условий проявления горного давления. Используют следующие виды искусственных сооружений: литые полосы, железобетонные тумбы, органная крепь, бутокостры, костры из круглого леса, бутовые полосы [5].

Согласно паспорта разрабатываемых лав на ГП «Шахта имени М.Горького» используются бутовые полосы для охраны конвейерного и вентиляционного штреков. Охрана вентиляционного штрека осуществляется бутовой полосой длиной 15 м породой, используемой от подрывки почвы вентиляционного штрека. Охрана конвейерного штрека осуществляется бутовой полосой длиной 22 м.

Достоинства способа охраны:

1. Создание подпоры труднообрушаемым породам основной кровли.

2. Возможность оставления породы от проведения и ремонта выработок в шахте.

3. Уменьшение расхода леса и других дорогостоящих материалов [6].

Оставление породы в шахте приносит не только экологический эффект, но и экономический, так как нет необходимости доставлять породу на поверхность, складировать в отвал.

На поверхности шахтная порода может быть использована в различных народнохозяйственных целях.

Отходы горного производства не теряют народнохозяйственную значимость и могут быть использованы в качестве сырья для производства продукции. Из отвальной массы, например, можно получать строительные материалы и углеудобрения. По данным И.Ф.Галушки, в 1 тонне складированной в терриконики Донбасса породы содержится (в кг): углерода – 16-62; азота – 0,2-21,1; фосфора – 0,4-19,0; калия – 4,7-37,0; кальция – 4,8-11,4; меди – 0,5-20,0; серы – 0,1-85,0; цинка – 0,1-20,0; молибдена – до 1,0; галлия – до 5,0; кремния – 35,7-740; алюминия – 54,0-343,0; титана – 2,0-21,4; никеля – 0,1-2,0; кобальта – 0,1-0,3; бария – 0,3-8,0; бериллия – 0,5-1,0; скандия – до 3,0; свинца – до 3,0; олова – до 0,3; хрома – 0,2-3,0; ванадия – 0,4- 4,0; циркония – 0,1-3,0; стронция – 0,1-6,0; магния – 2,0-22,4.

Шахтная порода может быть использована как сырье для металлургии, так как в отвалах в повышенных концентрациях имеются галлий, германий, висмут (0,002, 0,002, 0,007% соответственно).

Висмут – это серебристо-белый металл, хрупкий, легкоплавкий. Висмут применяют как компонент легкоплавких сплавов, присадку к легкообрабатываемым автоматным сталям и другим сплавам, к алюминию. Расплав висмута – теплоноситель в ядерных реакторах. Соединение висмута – пигменты, флюсы в производстве керамики, стекла, вяжущих и антисептических средств в медицине. Галлий применяют в производстве полупродниковых материалов.

Германий – полупродниковый материал для электронных приборов, компонент сплавов, материал для линз в инфракрасных приборах, детекторов ионизирующего излучения [2].

Отвальная порода может служить также сырьем для получения алюминия.

Al₂О₃– потенциальный источник сырья для алюминиевой промышленности, т.к. возможно получение из него «вторичного» глинозема, а глинозем широко используется для получения технической керамики. В других отраслях народного хозяйства породы отвалов могут быть использованы для устройства полотна шоссейных дорог, балластного слоя под подъездные пути для промышленного транспорта, при производстве строительных материалов, в качестве сельскохозяйственных удобрений.

Наибольшую ценность при сооружении дорог и для производства стройматериалов имеют горелые породные отходы. Горелые породы используют для строительства автодорог с асфальтобетонным покрытием.

Особое место в производстве изделий из горелых пород занимают крепежные бетониты, т.е. блоки разной формы, величины и массы, применяющиеся в угольной промышленности для крепления подземных горных выработок.

Основным технико-экономическим преимуществом развития производства строительных материалов на основе утилизации породных отходов как одного из направлений комплексного использования месторождений является: расширение сырьевой базы путем замены дефицитного привозного сырья дешевым местным; приближение мест производства строительных материалов к местам их потребления и, как следствие, снижение транспортных расходов на перевозку сырья; концентрация добычи различных видов минерального сырья на одном предприятии; уменьшение затрат на добычу, дробление и помол исходного сырья.

Положительные аспекты прогрессивных малодоходных технологических схем угледобычи оцениваются с двух позиций:

1) прямой – утилизации в народном хозяйстве попутных продуктов угледобычи – для изготовления стройматериалов (кирпич, блоки, вяжущее), в качестве удобрений; для выработки тепла (сжигание каптируемого газа) и очищенных шахтных вод для производственных нужд шахты и для орошения земель;

2) косвенной – искусственного уменьшения объема выхода вредных отходов угледобычи.

Однако учет всех возможных отрицательных и положительных последствий перехода на малоотходную технологию угледобычи показывает, что в масштабе региона или страны в целом, некоторое повышение затрат на сокращение выхода отходов компенсируется общегосударственным экономическим и экологическим эффектом.

В свою очередь уменьшение объемов складируемой породы сокращает потребность в площадях под отвалы, сокращает затраты на складирование породы и снижает выброс в атмосферу вредных отходов породных отвалов – аэрозолей и газов. Структурная схема положительных аспектов сокращения выхода породы из шахт представлена на рис.1.

Рис 1 – Структурная схема положительных аспектов сокращения выхода породы из шахт (анимация выполнена в программе Adobe Flash CS3 Professional, размер: 24 kB, количество кадров 7)

Таким образом, в горной промышленности необходимо: внедрять разработанные технологии по полной утилизации отходов; шире применять геотехнологические методы разработки месторождений полезных ископаемых, стремясь при этом к извлечению на земную поверхность только целевых компонентов; использовать безотходные методы обогащения и переработки природного сырья на месте его добычи.

Текущие и планируемые результаты по теме

Результаты работы позволят:

1. Предотвратить негативное воздействие горной промышленности на окружающую среду.

2. Использовать разработанный комплекс прогрессивных малодоходных технологических схем угледобычи. Планируемые результаты по теме заключаются в возможности использования результатов работы, как для внутришахтных целей, так и для народнохозяйственного комплекса.

Результаты магистерской работы могут быть полезны для дальнейших исследований данной проблемы последующим поколениям студентов.

Заключение

Снижение негативного влияния производственной деятельности на окружающую природную среду является одной из основных задач эколого-экономической деятельности шахты.

Накопление отходов и загрязнение ими природной среды в связи с развитием производительных сил не является неизбежной закономерностью. Напротив, достижение научно-технического прогресса, развитие науки и техники создают необходимые предпосылки для эффективного решения проблемы отходов и предотвращения их отрицательного воздействия на природную среду. Однако в проведении работ в этой области имеются большие трудности, поскольку здесь пересекаются задачи различных отраслей и ведомств. Проблема комплексного и многоцелевого использования отходов при всей ее актуальности еще мало изучена.

Вовлечение в круговорот как можно большего числа всех твердых отходов желательно не только для того, чтобы замедлить истощение высококачественных ресурсов, но и для того, чтобы уменьшить пагубное воздействие отбросов на окружающую среду и снизить расходы на ликвидацию ущерба от загрязнения.

Литература

1. Чудновец В.Л., Артамонов В.Н. Комплексное использование породы как вторичного сырьевого ресурса// Збірка доповідей студентів та аспірантів першої регіональної конференції «Комплексне використання надр» (24 листопада 2008 р.). – Донецьк: ДонНТУ, 2008. – C. 53-56.
2. Смірний М.Ф., Зубова Л.Г., Зубов О.Р. Екологічна безпека териконових ландшафтів Донбасу: Монографія. – Луганськ: Вид-во СНУ ім. В.Даля, 2006. – C. 182–202.
3. Жуков В.Е., Выстороп В.В. , Колчин А.М., Григорюк Е.В. Малоотходная технология добычи угля. – К.: Техника, 1984. – C. 7-9.
4. Чудновец В.Л., Артамонов В.Н. Особенности реализации системы мероприятий по комплексному использованию шахтной породы в условиях ГП «Шахта им. М.Горького»// VII Международная научная конференция аспирантов и студентов «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов». Т.2 – Донецк: ДонНТУ, 2009. – C. 144-146
5. Братишко А.С., Гавриш Н.Н., Пилюгин В.И. Разработка месторождений полезных ископаемых: Учебник для вузов. – Донецк: «ЛИК», 1997. – C. 145-150.
6. Чудновец В.Л., Артамонов В.Н. Анализ воздействия ГП «Шахта им.М.Горького» на окружающую среду// Збірка доповідей студентів та аспірантів першої регіональної конференції «Комплексне використання надр» (24 листопада 2008 р.) - Донецьк: ДонНТУ, 2008. – C. 60-63.
7. Архипов Н.А., Ельчанинов Е.АК., Горбачев Д.Т. Добыча угля и рациональное природопользование.- М.: Недра, 1987. – C. 177-236.
8. Бакка М.Т., Гуменик І. Л., Редчиць В.С. Екологія гірничого виробництва: Навчальний посібник. – Житомир: ЖДТУ, 2004. – C. 272-278.
9. Дузь А.И. Охрана среды и использование отходов угольного производства/ А.И. Дузь, Б.В. Пичугин, И.И. Дуденко. – Донецк: Донбас, 1990. – C. 14-34.
10. Николин В.И., Матлак Е.С. Охрана окружающей среды в горной промышленности. – К.: Д.: Вища школа. Головное издательство, 1978. – C. 172-186.
11. Использование вторичных продуктов в изготовлении строительных материалов. http://etelien.ru/Collection/43/43_00005.htm.