В современных условиях особую актуальность приобретает проблема рационального использования в народном хозяйстве подземного пространства угольных месторождений. Дефицит территории населенных мест, проблемы экологии и экономической целесообразности диктуют необходимость их решения за счет повторного использования подземного пространства отработанных горных выработок шахт.
Наибольшую остроту проблема приобретает в условиях Донбасса. Это обусловлено:
Зарубежный и отечественный опыт использования выработанного пространства показывает, что этот вид хозяйственной деятельности имеет устойчивые тенденции по расширению объемов внедрения. Размещение объектов различного назначения под землей позволяет:
В связи с началом реализации в Донбассе программы закрытия неперспективных шахт, целесообразно более интенсивно использовать для захоронения промышленных отходов предприятий как подземные пространства шахт, выводимых из эксплуатации, так и подземные пространства погашаемых выработок действующих шахт. В Донбассе имеется опыт заполнения отработанных подземных пространств путем размещения в них отходов промышленных предприятий. Так, за 20 лет ликвидировано 80 погашенных подготовительных и очистных выработок на глубинах до 470 м от земной поверхности на территории производственных объединений Антрацитуголь, Краснодонуголь, Макеевуголь, Артемуголь, Ростовуголь и т.д.
Донецким институтом организации строительства (ДИОС ) совместно с ПНО «Спецтампонажгеология» произведен анализ состояния 36 отработанных выработок и горно -гидрогеологических условий окружающих их пород /1/. Анализ показал, что состояние выработок и устойчивость их кровли обуславливают такие основные факторы:
Исследованиями было установлено, что на большей части территории Донбасса старые очистные выработки до глубин 80 м обрушены и заполнены разуплотненной породой. Мощность зон разуплотнения изменяется от 0,5-1,0 до 1,0-1,5 м. Мощность пустот изменяется от 0,3-0,5 до 1,5-2,0 м. Обычно провалы бурового инструмента приурочены к глубинам 30-60 м, что объясняется развитием до 30-35 м зоны интенсивного выветривания пород. Глубже 60 м выработки начинают испытывать сильное горное давление, приводящее к обрушению кровли.
Коэффициенты пустотности выработанного пространства при глубинах отработки до 100 м составляет порядка 50%. На больших глубинах коэффициенты пустотности снижаются и на глубинах 200-500 м составляет в среднем 30% /2/. Таким образом, зоны обрушения, сформированные при отработке угольных пластов, можно рассматривать как емкие коллекторы для утилизации отходов как угольных так и других промышленных предприятий.
Выработанное пространство угольных месторождений значительно отличается по параметрам и возможностям их использования от выработанного пространства других месторождений полезных ископаемых (гипса, известняка, соли, железной руды ), что требует дифференцированного подхода при его освоении.
Анализ отечественного и зарубежного опыта повторного использования выработок горнодобывающих шахт позволяет сделать вывод о том, что данные выработки можно использовать во многих сферах народнохозяйственной деятельности. Учитывая параметры горных выработок шахт, на ІІІ Международной конференции «Проблемы и перспективы освоения подземного пространства крупных городов » (г .Симферополь, Украина, 1998 г.) одобрены следующие основные направления повторного использования горных выработок угольных месторождений.
I Размещение в подземном пространстве объектов горнодобывающей промышленности.
К данным объектам относится сооружение подземного обогатительного комплекса в околоствольном дворе шахты с размещением шламоотстойников в выработанном пространстве. Для условий ш. Новогродовская (Донбасс, объединение Селидовуголь) разработан проект сооружения данного объекта. Применение крутонаклонных сепараторов КНС-108 для обогащения угля требуют большого количества технической воды. С этой целью используют шахтную воду, поступающую в неограниченном количестве в водосборники шахты. Технологией предусматривается, что шламовая вода после процесса обогащения горной массы осветляется и направляется в зумпф к насосной оборотного водоснабжения, которая перекачивает осветленную воду в расходный бак сепараторов. Шлам, полученный в процессе обогащения перекачивается в шламоотстойники, расположенные в отработанных выработках. Обогащенный уголь выдается на поверхность, а порода (отделенная в процессе обогащения от горной массы ) — размещается в выработанном пространстве шахты. Данное решение позволяет:
Общая сметная стоимость строительства рассмотренного подземного обогатительного комплекса — 2 млн 100 тыс. гривен. При сооружении комплекса общая стоимость реализованного угля за счет снижения зольности горной массы с 40,6 до 32,4% увеличивается на 2 млн 800 тыс. грн. в год. С учетом капитальных затрат на сооружение камер для размещения оборудования подземного обогатительного комплекса предложенный проект должен окупиться в течение 2-3 лет.
П Размещение в погашаемых выработках шламов тепловых электростанций.
Тепловые электростанции Донбасса (Кураховская, Зуевская, Углегорская) обычно располагаются по соседству с шахтами. Работа станции сопряжена с получением золы как остаточного продукта сгорания угля, которая ежедневно тысячами тонн выбрасывается в золоотвалы. Расположенные на поверхности земли они под действием атмосферных явлений (солнца, ветра, дождя) являются источниками загрязнения окружающей среды. Инфильтрация шлама через основание золоотвалов приводит к загрязнению грунтовых вод, питающих всю растительность окружающего района и пагубно влияющих на источники питьевой воды . На рядом расположенных шахтах в процессе проведения подготовительных выработок и выемки угля в горном массиве создаются пустоты, которые могут повлечь деформацию дневной поверхности со всеми вытекающими последствиями (разрушение сооружений, нарушение гидрогеологического режима района и т .д.).
Утилизация золы, получаемой на теплоэлектростанциях Донбасса, в выработанное пространство ближайших шахт имеет следующие преимущества:
Для реализации данного решения необходима изоляция отработанного пространства, используемого для утилизации золы, от других объектов действующей шахты и обеспечение временной устойчивости отработанного пространства до заполнения его золой.
С учетом приведенных рекомендаций ПНО «Спецтампонажгеология» готовит технико-экономическое обоснование утилизации золы Кураховской ТЭС в выработки закрываемой шахты «Горняк » (объединение Селидовуголь).
На основе золошлаков ТЭС разрабатываются оптимальные рецептуры закладочного раствора и технологические схемы его нагнетания в погашенные выработки применительно к конкретным условиям шахты.
Вместе со шламом возможна подача хозфекальных стоков после первой стадии обработки на очистных сооружениях. Для этого необходимо выбирать отработанные угольные пласты, расположенные между глинистыми породами, не допускающими фильтрации. При подаче предварительно обработанных хозфекальных стоков в выработанное пространство отработанных угольных пластов возможна экономия за счет отказа от строительства дорогостоящих очистных сооружений.
Ш Использование выработанного пространства шахт для размещения пород террикоников.
Строительство, как и реконструкция шахт, невозможна без проходки стволов. Сооружение только одного ствола диаметром 8 м и глубиной 1000 м предусматривает выдачу на поверхность около 100 тыс. метров кубичесих разрушенной горной породы, которую необходимо уложить в отвалы. Существующая технология добычи угля также предусматривает выдачу на поверхность не только полезного ископаемого, но и большого количества (до 30% от добычи угля ) горной породы , которую располагают на поверхности в виде отвалов (террикоников ). Свою лепту в создание террикоников вносят и поверхностные обогатительные фабрики. В настоящее время на территории Украинской части Донбасса расположено более 1183 террикоников и отвалов, из которых происходит выделение ядовитых газов и пылеобразование, ухудшающих экологию окружающей территории. Кроме этого, общая площадь земель выведенных из хозяйственного оборота с учетом 200 м опасной зоны и 500 м санитарной зоны вокруг каждого отвала — составляет 121 тыс. га.
Учитывая необходимость захоронения отходов угольных предприятий, в Донбассе разработаны Предложения по использованию подземного пространства с целью размещения в них пород отвалов. Разработаны практические рекомендации, согласно которым отходы промышленных предприятий целесообразно захоронить в виде стабильных закладочных смесей, что позволяет их располагать в радиусе 100-200 м от каждой скважины пробуренной с поверхности земли. Стабильность (седиментационная устойчивость) закладочных смесей \ обеспечивается при их затворении на глинистом растворе.
Закладочные смеси, приготовляемые из отходов предприятий угольной промышленности, хорошо прокачиваются на большие расстояния по трубам диаметром 50 мм при плотности 1500-1700 кг /м 3.
В зависимости от размеров отработанных выработок их заполнение породами отвалов следует производить в напорном или безнапорном режиме нагнетания закладочных смесей.
В настоящее время ПНО «Спецтампонажгеология» исследованы свойства отходов производства шахты «Центральная» (объединения Антрацит) на пригодность заполнения выработанного пространства, разработана технологическая схема утилизации породного отвала в выработки закрываемой шахты, осуществлена технико-экономическая оценка производства работ по захоронению 10 тыс. м3 отвалов в пустоты шахты «Центральная » по пласту К5 через три технологические скважины глубиной 240 м и диаметром 90 мм.
Для снижения затрат, связанных с захоронением отходов угольной промышленности в выработанное пространство шахт, необходимо организовать попутное извлечение полезных составляющих из отходов: угля из шламов обогатительных фабрик, редкоземельных и цветных металлов — из породы и золы ТЭС. Исследованиями ученых Донецкого государственного технического университета /3/ установлено, что как в бурых углях Александрийского бассейна в Днепропетровской области, так и вмещающих породах содержится от 0,5 до 3,2 г золота на тонну угля или вмещающих пород. Следует иметь ввиду, что содержание 2 г золота на тонну крепких пород, залегающих на большой глубине, уже рентабельно для их извлечения и разработки.
В Донбассе большое число шлаковых отвалов ТЭС , где десятилетиями накапливалась золотоносная зола — ведь золото не горит. Добыча драгоценного металла может вестись либо попутно с углем, либо с переработкой шлаков. И это не только предположения . В России начали эти работы позднее и уже опередили нас. На Рефтинской ТЭС возле Екатеринбурга сжигают угли Экибастузского бассейна. Так вот там с помощью шведской обогатительной установки доказали, что даже ради 0,2 г золота перерабатывать тонну золошлаков — рентабельно , т .к . грамм добытого золота обходится от 2 до 5 долл. США, а цена на мировом рынке — 10 долл.
Между тем шлаков экибастузских углей у нас на Украине тоже в достатке . В 30-х годах эти угли завозились на наши теплоэлектростанции , в частности, на Кураховскую ТЭС. Существующий опыт и технические разработки показывают, что кроме представленных, возможны следующие направления повторного использования выработанного пространства угольных месторождений:
Существуют предложения по использованию центрально-сдвоенных стволов закрывающихся шахт для строительства аэроэлектростанций. В качестве рабочих органов аэроэлектростанций могут служить прототипы ортогональных ветродвигателей, имеющих ряд преимуществ по сравнению с традиционными пропеллерными ветродвигателями.
Как известно, эффективность любого аэроагрегата в первую очередь зависит от аэродинамических характеристик его аэроколес. Одно из основных преимуществ ортогональных аэродвигателей — непрерывная смена углов атаки лопастей воздушным потоком, что делает их высоко-быстроходными даже при небольших скоростях потока воздуха в стволе обеспечить достаточную скорость вращения аэроколеса за счет естественной тяги воздуха. Учитывая современный уровень и перспективы развития инфраструктуры Донбасса, повторное освоение подземного пространства угольных месторождений позволит:
Библиографический список