Реферат по теме выпускной работы
Содержание
- Введение и обоснование актуальности темы
- Цель и задачи исследования
- Предлагаемая научная новизна
- Практическая ценность работы
- Обзор существующих исследований и разработок по теме
- Текущие и планируемые результаты по теме
- Заключение и выводы
- Список источников
Введение и обоснование актуальности темы
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, транспортировку, хранение, а также осложняют экологическую обстановку в районах размещения шахт [1].
Породы, складированные в отвалах, имеют различные геохимические свойства и гранулометрический состав, что является следствием технологии добычи, свойствами разрабатываемой толщи и процессами, которые происходят с породой на земной поверхности. Минеральный состав пород [2], слагающих отвалы угольных шахт, тесно связан с их происхождением и последующим воздействием процессов выветривания и термического воздействия, приводящих к его изменению, глубина которого зависит от генетического возраста терриконов. Углевмещающие породы, складированные в отвалы, подвергаются воздействию теплового поля, что и приводит к формированию различных типов отвальных пород угольных шахт. В связи с этим различают термоизмененные и термонеизмененные отвальные породы.
В результате сложных экзотермических реакций, протекающих в теле отвала, происходит самопроизвольное возгорание пород, их слагающих. Горение отвалов продолжается в течение нескольких лет. Это ведет к загрязнению атмосферы продуктами горения и осаждению их на поверхности земли [3]. В атмосферу выбрасывается аэрозоль, твердые частицы которого представлены сажей, коксом, силикатными шариками, кристаллами гипса и органическими остатками. В газовой фазе преобладают сернистый газ и окислы азота. В результате выброса в атмосферу едкого дыма с горящих отвалов очень часто над смежными с ними территориями стоит смог. В течение года на породные отвалы выпадают атмосферные осадки, которые, фильтруясь через тело отвала, значительно меняют свой химический состав. Они обогащаются растворимыми соединениями и формируют техногенные геохимические потоки.
Несмотря на интенсивное развитие в последнее время методов прогнозирования и технологий предупреждения самовозгорания угля и пород, остается актуальной задача совершенствования арсенала средств и способов профилактики эндогенных пожаров на отвалах шахт и обогатительных фабрик. Несмотря на актуальность вопроса и давнюю историю его исследования, многие теоретические стороны не были проработаны в полном объеме.
В настоящее время пока нет единого мнения о природе самовозгорания осадочных горных пород. Многие специалисты считают, что причиной самовозгорания пород является их взаимодействие с кислородом атмосферного воздуха. Имеется также ряд других предположений и попыток объяснить природу самовозгорания твердых горючих ископаемых (пиритная гипотеза разложения в угле вследствие экзотермической реакции дисульфида железа при участии влаги и кислорода, воспламенения при обычной температуре образующегося при выщелачивании пирита пирофорного железа, действие тионовых бактерий и др.), но все они не имеют убедительных обоснований и остаются лишь предметом научных дискуссий.
Согласно практике, самовозгораются обычно влажные горные породы при слабой аэрации их поверхности. Очаги самонагревания пород часто обнаруживаются по выделениям сульфатов железа и серной кислоты. Образование этих веществ, естественно, возможно только при окислительном выщелачивании содержащегося в породах пирита [4].
Еще более сложная ситуация складывается с практическим внедрением противопожарных мероприятий. В идеале порядок формирования отвалов и профилактические мероприятия должны предупреждать возгорание. Однако желание сэкономить на превентивных мероприятиях приводит к отсутствию должного внимания к данной проблеме со стороны производственников. Более того, даже возникшие пожары в ряде случаев пускают на самотек, и их тушение начинается только под давлением природоохранных органов и органов, контролирующих производственную безопасность.
Говоря о горении породных отвалов, следует рассмотреть природу возникновения и процессы протекания горения в массиве отвала, что напрямую влияет на меры по предупреждению и борьбе с данным явлением.
В связи с изложенным исследования по установлению закономерностей формирования очагов самонагревания и самовозгорания пород на отвалах шахт и обогатительных фабрик и разработка на их основе способов предупреждения и тушения очагов самовозгорания на породных отвалах являются актуальной научно-технической задачей, решение которой позволит улучшить экологическую обстановку в Калининском районе г. Донецка за счет снижения вредного воздействия породного отвала ОП «Шахта им. Калинина» на окружающую среду [5].
Цели и задачи исследования
Целью работы является разработка и обоснование инженерных решений по улучшению экологической обстановки в Калининском районе г. Донецка за счет снижения вредного воздействия породного отвала ОП «Шахта им. Калинина» на окружающую среду путем тушения очагов самовозгорания на породном отвале с последующим его переформированием.
Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:
1. Оценить влияние ОП «Шахта им. Калинина» на окружающую среду.
2. Проанализировать существующие методы предотвращения и тушения очагов самовозгорания породы.
3. Выбрать и обосновать технологию тушения отвала ОП «Шахта им. Калинина».
4. Выбрать технологию переформирования отвала ОП «Шахта им. Калинина».
Предлагаемая научная новизна
В результате исследований механизм формирования очагов самовозгорания на породных отвалах получил дальнейшее развитие и был дополнен стадией эффузивных процессов, что послужило основой для разработки способов предупреждения и тушения очагов самовозгорания на породных отвалах.
Практическая ценность работы
Ликвидация очагов самовозгорания на породном отвале ОП «Шахта им. Калинина» позволит произвести его переформирование, за счет чего улучшится экологическая обстановка в Калининском районе г. Донецка, высвободятся участки под застройку в центре города. Обзор существующих исследований и разработок по теме.
Обзор существующих исследований и разработок по теме
Предотвратить самонагревание горных пород (начальную стадию их самовозгорания) в принципе можно двумя путями: исключить проникновение в породы вод, содержащих тионовые бактерии и необходимые для их жизнедеятельности растворенные газы; целенаправленно воздействовать на среду обитания бактерий (подавить их активность). Практически более приемлем второй путь – это значит увеличить рН жидкой среды (кислую среду превратить в щелочную) или резко уменьшить содержание кислорода и углекислого газа. Достаточно просто повысить рН среды – надо в воду добавить гидроксиды или карбонаты натрия, калия, кальция, т.е. NaOH, KOH, Ca(OH)2, Na2CO3, K2CO3, CaCO3. При воздействии такой водой на пиритсодержащие породы декарбонизуются поровые растворы и происходит связывание веществ новообразования. Если использовать растворы NaOH или KOH, то процесс декарбонизации поровых растворов сопровождается образованием на поверхности горной породы защитного слоя из карбоната кальция CaCO3 и гидроксида магния Mg(OH)2. При декарбонизации порового раствора гидроксидом кальция Ca(OH)2, т.е. известковой суспензией, также образуется защитный слой из карбоната кальция, а в случае избытка извести может образоваться защитный слой из CaCO3 и Mg(OH)2. Когда вода с указанными выше добавками попадает в пиритсодержащие породы и в них уже начали протекать биохимические процессы окислительного выщелачивания пирита, происходят реакции взаимодействия этих веществ с сульфатами железа и образуется гидроксид железа (III), выпадающий в осадок. Нейтрализация серной кислоты известковой суспензией сопровождается образованием защитного гипсового слоя CaSO4•2H2O на поверхности горной породы.
Растворы и суспензии гидроксидов и карбонатов N, K, Ca в равной мере можно использовать и для тушения очагов горения горных пород. При этом одновременно происходит охлаждение породы жидкостью и нейтрализация содержащихся в ней веществ новообразования. Следует отметить, что на всех стадиях самонагревания и горения пиритсодержащих горных пород эти растворы и суспензии являются наилучшими ингибиторами по полноте и эффективности нейтрализации процессов образования вредных веществ (опасных и вредных газов, серной кислоты, серы и т.д.).
Способы профилактики самовозгорания и тушения горящих породных отвалов испытаны и использованы на ряде угольных шахт. Во всех случаях в качестве щелочной жидкости применяли воду с добавками извести (известковой суспензии). Известь – достаточно дешевое сырье, ее имеется много как отходов металлургического производства. Обрабатывали породу 3-5 – процентной известковой суспензией. Расход гашеной извести 30-50 кг на 1 м3 воды и 6-15 кг на 1 м3 горной породы.
Кроме тушения водой имеются следующие способы тушения породного отвала:
1. Засыпка поверхностного слоя инертными сыпучими материалами
2. Заиливание отвала через траншеи или нагнетание через обсаженные переформированными трубами скважины.
3. Заиливание глинистой пульпой.
4. Заиливание пульпой состоящей из воды и молотого известняка.
5. Использование ингибиторов окислительных процессов – антиоксидантов.
6. Ликвидация очагов горения путем активного охлаждения массы атмосферным воздухом и водой.
Тушение отвала изоляцией осуществляется путем засыпания его глиной, песком, золой и другими сыпучими материалами. Толщина инертного слоя должна быть 1-1.5 м но не менее 0.5.
Наиболее распространенным способом является заиливание, особенно смесью молотого известняка с водой. Этому способствуют такие явления:
1. Известковая пульпа ввиду ее тонкости хорошо заполняет пустоты, трещины и обволакивает куски породы. Благодаря чему ограничивается процесс окисления последних.
2. Едкие и ядовитые пожарные газы (H2S, SO2) поглощаются известковой мукой.
3. Известняк под действием высокой температуры диссоциирует с выделением углекислого газа, способствует прекращению горения.
Заиливание очагов горения глинистой пульпой является не безопасным способом, так как возможны внезапные прорывы газообразных продуктов высокотемпературных процессов внутри очагав атмосферу через защитный слой.
Использование ингибиторов. В качестве этих веществ используются бикарбонат кальция, жидкое стекло, раствор сернокислого, углекислого и хлористого аммония. Вследствие химического взаимодействия антиоксидантов с поверхностью угля доступ к ней кислорода атмосферного воздуха затрудняется.
Текущие и планируемые результаты по теме
Отбитая от массива горная масса под действием гравитационных сил и воздействием рабочих органов машин перемешивается и превращается в среду с беспорядочной ориентацией кусков. В этом случае пустотность поверхностного слоя отвальной массы определяется размерами межкускового пространства. Хотя фильтрация в такой среде может быть весьма значительной, в ней есть места, где расстояние между стенками трещин не превышает Δ =10-7... 10-8 м т.е. длины свободного бега молекул газа (γ) [6]. Воздух в таких микротрещинах находится в состоянии вакуума, и миграция газов происходит вследствие эффузивных процессов, то есть процессов истечения разреженного газа из отверстия, характерные размеры которого меньше длины свободного пробега молекул. Использование явления эффузии позволяет дополнить представления о зарождении очагов самонагревания в толще породных отвалов.
Условие равновесия разреженного газа (рис.1) существенно отличается от аналогичного условия для не разреженного газа:
где: P1 и P2 – давления газа в первой и во второй частях сосуда соответственно, Па.
Рисунок 1 – Схема сосуда с разреженным газом
Одним из следствий выражения является то, что если давления P1 и P2 были первоначально одинаковыми, то вследствие эффузии газ начнет перетекать из области с более низкой температурой, в область с более высокой. Это явление называется тепловой эффузией.
Температура поверхности породного отвала в течение суток изменяется под действием солнечной радиации, ветра, осадков и в то же время на некоторой глубине температура остается практически постоянной (tc). Весной и осенью дневная температура, как правило, выше значения tc , ночная – ниже. Это приводит к пульсациям воздуха в приповерхностном слое измельченных пород, обеспечивает поступление воздуха в отвал ночью и выделение днем.
Рассмотрим пример неизотермического течения газа в канале. Если две камеры, находящиеся соответственно при температуре T1 и T2, соединить длинным цилиндрическим каналом и заполнить систему разреженным газом, в камерах установятся давления P1 и P2 , удовлетворяющие условию
