Рисунок 1 — Основные факторы негативного влияния породных отвалов на окружающую природную среду.

2. Научная значимость и практическая ценность результатов работы

Научная значимость данной магистерской работы состоит в том, что, выполнив поставленные задачи, будет оценен экономический и экологический эффект от внедрения предлагаемой технологии. В качестве практической ценности результатов исследований планируется внедрение экологически значимых мероприятий на предприятия Украины.

3. Цели и задачи работы

Цель: Разработать мероприятия по повышению экологической безопасности переработки отходов углеобогащения с расширением сортамента продукциии и оценить их влияние на окружающую среду.

Для достижения поставленной цели планируется выполнить следующие задачи:

• Проанализировать отечественные и зарубежные разработки по повышению экологической безопасности переработки отходов углеобогащения;

• Дать характеристику химическим продуктам, которые содержатся в углеотходах;

• Рассмотреть традиционные варианты переработки отходов углеобогащения;

• Сделать оценку целесообразности внедрения предложенной мной технологии переработки отходов углеобогащения;

• Рассчитать экономический и экологический эффект от внедрения предложенной мной технологии переработки ли вторичного использования отходов углеобогащения;

4. Обзор исследований и разработок по теме

4.1 Обзор на локальном уровне

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 [6].

4.2 Обзор на национальном уровне

Шахтное производство неразрывно связано с образованием большого количества отходов. Для угольной промышленности характерен весьма существенный загрязнитель окружающей среды — попутно добываемые и скапливающиеся в отвалах горные породы. Они занимают сотни гектаров земли, являются источником загрязнения атмосферы пылью и вредными газами (при горении).

Исследования отвальной массы, проведенные институтом показали, что в ней содержится от 5 до 20% угля.

Существенное отрицательное воздействие на окружающую отвалы территорию оказывают смываемая и сдуваемая ветрами с них пыль.

Одним из основных направлений использования попутно добываемых горных пород на шахтах является закладка выработанного пространства. Наибольшее распространение закладка выработанного пространства получила при выемке угля под застроенными территориями, промышленными сооружениями, при разработке пластов с трудноуправляемыми вмещающими породами и пластов, склонных к внезапным выбросам угля и газа, а также с целью противопожарных мероприятий, охраны подготовительных выработок.

С точки зрения использования горных пород для различных целей представляет определенный интерес их характеристика (химический и минералогический составы, физико-механические свойства).

Работы по использованию отходов угольного производства, образующихся при выемке угля и его обогащении, проводятся в следующих направлениях: извлечение горючих составляющих; отделение песчанистой составляющей от глинистой и раздельное их использование; получение легких заполнителей (аглопоритового гравия, аглопоритового песка и т.п.), добавки в массу при производстве кирпича; получение кирпича из глинистых пород; получение заполнителей для легких бетонов автоклавного твердения; использование в качестве закладки выработанного пространства шахт; получение строительных материалов; использование в качестве несущего основания при сооружении шоссейных дорог и насыпей [4].

4.3 Обзор на мировом уровне

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 [7].

5. Основные исследования и результаты

5.1 Анализ представлений о причинах самонагревания и возгорания горных пород

По данным практики, самонагревание горных пород представляет собой геохимический процесс, сопровождающийся выделением серной кислоты и сульфатов железа. Образование этих веществ возможно только вследствие окислительного выщелачивания пирита при участии влаги и растворённого в ней кислорода. Общность склонных к самовозгоранию углей, некоторых пустых пород угольных месторождений и сульфидных руд состоит в том, что они содержат минеральную серу. Если исходить из того, что первопричиной самонагревания горных пород является окислительное выщелачивание содержащегося в них пирита, то можно утверждать единство природы их самовозгорания. Следует отметить, что склонные к самовозгоранию бурые угли, торфы и горючие сланцы также содержат серу минерального происхождения.

Также считается доказанным участие в выветривании серных и сульфидных месторождений тионовых бактерий, продуктами жизнедеятельности которых являются серная кислота и вторичные сульфатные минералы. Такие же бактерии имеются в угольных месторождениях. Они представлены в основном двумя видами: Thiobacillus ferrooxidans, Микрофотоснимок бактерий Thiobacillus ferrooxidans. Ведущая роль в окислении сульфидных минералов принадлежит бактериям Th. Ferrooxidans [6].

Рисунок 2 — Микрофотоснимок бактерий Thiobacillus ferrooxidans.

Рисунок 3 — Микрофотоснимок бактерий Thiobacillus ferrooxidans.

5.2 Использование воды с добавками для предотвращения самовозгорания горных пород

При тушении горных пород должны происходить их охлаждение и нейтрализация вредных веществ новообразования. Охлаждающее действие воды общеизвестно. По данным проведенных исследований [5], гидроксиды и карбонаты Na, K, Ca обладают универсальными способностями нейтрализовать в пиритсодержащих породах вещества новообразования, в том числе наиболее химически активные вещества — серу и серную кислоту.

Извесно, что NaOH и Na2CO3 не разлагаются при нагревании до температуры более 500°С. Температура диссоциации Ca(OH)2 и CaCO3 оставляет, соответственно, около 540 и 600°С. Поэтому они могут быть эффективно использованы как для предотвращения и подавления процессов самонагревания горных пород, поглощения вредных газов путём орошения их поверхности, так и ликвидации очагов горения путём активного охлаждения их растворами или суспензиями и связывания при этом опасных и вредных веществ новообразования.

5.3 Использование углеотходов в качестве дорожно-строительных материалов

Возможности применения горелых пород в производстве строительных материалов весьма разнообразны. Они находят широкое применение в дорожном строительстве преимущественно при устройстве оснований. В Донбассе, например, горелые породы используются при устройстве нижнего слоя двухслойных оснований под асфальтобетонные покрытия. При этом конструкция дорожной одежды следующая: асфальтобетонное покрытие — 4-9 см, щебеночное или шлаковое основание — 12-20, подстилающий слой из горелой породы — 10-18 см. К горелым породам как материалу для оснований дорог предъявляются следующие требования: плотность в куске — не менее 2 г/см3, водопоглощение — не более 5%, износ в полочном барабане — не более 35%, содержание пылевидных частиц — не более 3%.

При удовлетворительных физико-механических свойствах горелые породы используют не только для нижних, но и для верхних слоев оснований, а также нижнего слоя покрытия.

Наиболее эффективно используется горелая порода после обработки органическим вяжущим.

Применение углеотходов в земляном полотне в настоящее время является наиболее эффективным, поскольку практически не требует дополнительной переработки отходов, а объемы материала для насыпей требуются значительные.

Для получения материала, пригодного для основания, предлогается следующая технология. Горелая порода террикоников дробится, в результате чего слабопрочная плохообожженная составляющая разрушается и после грохочения в составе фракции менее 2 мм удаляется в отвал. Оставшаяся крупнообломочная фракция подвергается второму этапу дробления до выхода 30-40% мелкозема. Затем полученная смесь активизируется добавками 3-10% извести или цемента. В качестве активизатора можно применять граншлак, некоторые другие виды неорганических вяжущих. Полученный из такой смеси после увлажнения и уплотнения слой в расчетный период обладает достаточно высоким модулем упругости — 300-600 МПа, что позволяет применять его в конструкциях дорожных одежд любых технических категорий.

1 — конструкция дорожной одежды; 2 — укрепленная обочина;3 — углеотходы; 4 — защитный слой из дробленых углеотходов.

Рисунок 4 — Конструкция насыпи из углеотходов.

1 — конструкция дорожной одежды; 2 — укрепленная обочина; 3 — защитный слой из глинистых грунтов; 4 — пожаробезопасная прослойка; 5 — углеотходы; 6 — защитный слой из дробленых углеотходов.

Рисунок 5 — Конструкция насыпи из углеотходов c пожаробезопасной прослойкой.

При конструировании насыпи из углеотходов важное место отводится мероприятиям, предупреждающим высокотемпературный саморазогрев. Расчеты пожаробезопасных элементов показали, что самовозгорание углеотходов зависит от их зольности, марки добываемого или обогащаемого угля, энергии активации и некоторых других параметров. Для земляного полотна автомобильных дорог установлена критическая толщина отсыпаемого слоя в 5,2-12м. При превышении этих размеров в теле насыпи из углеотходов предусматривается устройство пожаробезопасных прослоек из связного грунта, а также изоляция откосов слоем такого же грунта толщиной не менее 0,15-0,40 м (рис.5), либо другим материалом, препятствующим поступлению атмосферного кислорода в структуру углеотходов.

Особенности технологий строительства насыпей из углеотходов в основном связаны с необходимостью ликвидации потенциальной просадочности и создания плотной бездеформативной структуры с заданным содержанием мелкозема. Сложные инженерно-геологические условия, возможность подтопления и даже затопления земляного полотна требуют создания максимально плотной структуры по всему объему насыпи.

Заключение

Применение углеотходов дорожниками Донбасса позволит получить значительный экономический эффект. Кроме того, в отрасли сократятся затраты на содержание отвалов; в сельском хозяйстве уменьшаться потери плодородных земель, изымаемых под складирование отвалов. Значителен также природоохранный эффект, что способствует улучшению экологической обстановки Донбасса.

Перечень используемой литературы

1. Эколого-экономическая оценка использования твердых углеотходов Восточного Донбасса—Москва: МГУ, 2010 – 127с. [электронный ресурс].— Режим доступ: http://www.mydisser.com

2. ГОСТ 3269-87. Щебень из природного камня, гравий и щебень из гравия для строительных работ. Методы испытаний. М., 1987.

3. УкрНИИ Углеобогащение. Отчет по теме “Исследование свойств отходов обогащения углей и породных отвалов в Донецком и Львовско-Волынском угольных бассейнах”. Луганск, 1984.

4. Цыганков В.Н., Михович А.С. Отвальная порода углеобогащения как строительный материал для плотин, дамб // Сборник научных трудов. — 2005. — № 3— C.762-765.

5. Зборщик М.П., Осокин В.В. Предотвращение самовозгорания горных пород.—К.: Техника, 1990.—176с.

6. Зборщик М.П., Осокин В.В. Горение пород угольных месторождений и их тушение.—Донецк.: ДонГТУ, 2000.— 179с.

7. Папуна Н. В. Переработка терриконов методом агломерации [электронный ресурс].— Режим доступа: http://www.masters.donntu.ru

8. О.В. Целуйко К опросу использования отходов углеобогащения [электронный ресурс].— Режим доступа: http://www.masters.donntu.ru

9.Меркулов В.А. Охрана природы на угольных шахтах.—М.: Недра, 1988..—320.

10. Краткая химическая энциклопедия.—Т.1.—М.: Советская энциклопедия, 1961.—1262 с.

Важное замечание

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2011г. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

© ДонНТУ 2011 Коршунова Н.С.