ДонНТУ   Портал магістрів

Ницюк Інга Іванівна

Факультет екологіі та хімічних технологій

Кафедра природоохранної діяльності

Спеціальність Екологія, охорони навколишнього середовища та збалансованого природокористування

Поліпшення екологічної обстановки в Калінінському районі м. Донецька на основі переформовування породного відвала ДП Шахти ім.М.І. Калініна

Науковій керівник: доц., к.т.н., Зав'ялова Олена Леонідівна

---

Резюме Біографія Реферат

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

• Введення та обґрунтування актуальності теми
• Мета та завдання дослідження
• Запропонована наукова новизна
• Практична цінність роботи
• Огляд існуючих досліджень і розробок по темі
• Поточні і заплановані результати по темі
• Заключення та висновки
• Список джерел

Введення та обґрунтування актуальності теми

На території Донбасу вже більше 200 років здійснюється підземний видобуток вугілля. Шахтні комплекси змінюють до невпізнання природні ландшафти. На вугледобувних і вуглепереробних підприємствах поряд з виробництвом основної продукції (вугіллям, вугільним концентратом) утворюється велика кількість газоподібних, твердих і рідких відходів (шахтний метан, порода, хвости збагачення, стічні води). Зазначені відходи негативно впливають на результати господарської діяльності підприємств, оскільки вимагають витрат на їх збір, транспортування, зберігання, а також ускладнюють екологічну обстановку в районах розміщення шахт [1].

Породи, складовані у відвалах, мають різні геохімічні властивості і гранулометричний склад, що є наслідком технології видобутку, властивостями розроблюваної товщі і процесами, які відбуваються з породою на земній поверхні. Мінеральний склад порід [2], що складають відвали вугільних шахт, тісно пов'язаний з їх походженням та подальшим впливом процесів вивітрювання і термічної дії, що призводять до його зміни, глибина якого залежить від генетичного віку териконів. Вуглевмісні породи, складовані у відвали, піддаються впливу теплового поля, що і призводить до формування різних типів відвальних порід вугільних шахт. У зв'язку з цим розрізняють термозмінені і термонезмінені відвальні породи.

В результаті складних екзотермічних реакцій, що протікають в тілі відвалу, відбувається мимовільне загоряння порід, їх складають. Горіння відвалів триває протягом декількох років. Це веде до забруднення атмосфери продуктами горіння і осадження їх на поверхні землі [3]. В атмосферу викидається аерозоль, тверді частинки якого представлені сажею, коксом, силікатними кульками, кристалами гіпсу і органічними залишками. У газовій фазі переважають сірчистий газ і окисли азоту. В результаті викиду в атмосферу їдкого диму з палаючих відвалів дуже часто над суміжними з ними територіями варто зміг. Протягом року на породні відвали випадають атмосферні опади, які, фільтруючи через тіло відвалу, значно змінюють свій хімічний склад. Вони збагачуються розчинними сполуками і формують техногенні геохімічні потоки.

Незважаючи на інтенсивний розвиток останнім часом методів прогнозування та технологій попередження самозаймання вугілля і порід, залишається актуальною задача вдосконалення арсеналу засобів і способів профілактики ендогенних пожеж на відвалах шахт і збагачувальних фабрик. Незважаючи на актуальність питання і давню історію його дослідження, багато теоретичні сторони не були опрацьовані в повному обсязі.

В даний час поки немає єдиної думки про природу самозаймання осадових гірських порід. Багато фахівців вважають, що причиною самозагорання порід є їх взаємодія з киснем атмосферного повітря. Є також ряд інших припущень і спроб пояснити природу самозаймання твердих горючих копалин (піритних гіпотеза розкладання у вугіллі внаслідок екзотермічної реакції дисульфіду заліза за участю вологи і кисню, займання при звичайній температурі утворюється при вилуговуванні піриту пірофорного заліза, дія тіонових бактерій та ін.), але всі вони не мають переконливих обґрунтувань і залишаються лише предметом наукових дискусій.

Відповідно до практики, самозаймаються зазвичай вологі гірські породи при слабкій аерації їх поверхні. Вогнища самонагрівання порід часто виявляються по виділенням сульфатів заліза та сірчаної кислоти. Освіта цих речовин, природно, можливо тільки при окисному вилуговуванні міститься в породах піриту [4].

Ще більш складна ситуація складається з практичним впровадженням протипожежних заходів. В ідеалі порядок формування відвалів та профілактичні заходи повинні попереджати загоряння. Однак бажання заощадити на превентивних заходах призводить до відсутності належної уваги до даної проблеми з боку виробничників. Більш того, навіть виникли пожежі в ряді випадків пускають на самоплив, і їх гасіння починається тільки під тиском природоохоронних органів та органів, що контролюють виробничу безпеку.

Говорячи про горіння породних відвалів, слід розглянути природу виникнення та процеси протікання горіння в масиві відвалу, що безпосередньо впливає на заходи з попередження та боротьби з даним явищем.

У зв'язку з викладеним дослідження по встановленню закономірностей формування осередків самонагрівання і самозаймання порід на відвалах шахт і збагачувальних фабрик та розробка на їх основі способів попередження і гасіння вогнищ самозаймання на породних відвалах є актуальною науково-технічною задачею, рішення якої дозволить поліпшити екологічну обстановку в Калінінському районі м. Донецька за рахунок зниження шкідливого впливу породного відвалу ДП Шахта ім. Калініна на навколишнє середовище [5].

Мета і завдання досліджень

Метою роботи є розробка та обґрунтування інженерних рішень щодо поліпшення екологічної обстановки в Калінінському районі м. Донецька за рахунок зниження шкідливого впливу породного відвалу ДП Шахта ім. Калініна на навколишнє середовище шляхом гасіння вогнищ самозаймання на породному відвалі з наступним його переформуванням.

Для досягнення поставленої мети потрібно було вирішити наступні завдання:

1. Оцінити вплив ДП Шахта ім. Калініна на навколишнє середовище.

2. Проаналізувати існуючі методи запобігання та гасіння вогнищ самозаймання породи.

3. Вибрати й обґрунтувати технологію гасіння відвала ДП Шахта ім.М. І. Калініна.

4. Вибрати технологію переформування відвалу ДП Шахта ім. Калініна.

Запропонована наукова новизна

В результаті досліджень механізм формування осередків самозаймання на породних відвалах отримав подальший розвиток і був доповнений стадією ефузивних процесів, що послужило основою для розробки способів попередження і гасіння вогнищ самозаймання на породних відвалах.

Практична цінність

Ліквідація вогнищ самозаймання на породному відвалі ДП Шахта ім. Калініна дозволить провести його переформування, за рахунок чого покращиться екологічна обстановка в Калінінському районі м. Донецька, вивільняться ділянки під забудову в центрі міста. Огляд існуючих досліджень і розробок по темі.

Огляд існуючих досліджень і розробок по темі

Запобігти самонагрівання гірських порід (початкову стадію їх самозаймання) в принципі можна двома шляхами: виключити проникнення в породи вод, що містять тіонові бактерії і необхідні для їх життєдіяльності розчинені гази; цілеспрямовано впливати на середовище проживання бактерій (придушити їх активність). Практично більш прийнятний другий шлях – це значить збільшити рН рідкого середовища (кисле середовище перетворити в лужну) або різко зменшити вміст кисню і вуглекислого газу. Досить просто підвищити рН середовища – треба в воду додати гідроксиди або карбонати натрію, калію, кальцію, тобто NaOH, KOH, Ca(OH)₂, Na₂CO₃, K₂CO₃, CaCO₃. При впливі такою водою на пірітсодержащіе породи декарбонізуются порові розчини і відбувається зв'язування речовин новоутворення. Якщо використовувати розчини NaOH або KOH, то процес декарбонізації порові розчинів супроводжується утворенням на поверхні гірської породи захисного шару з карбонату кальцію CaCO₃ і гідроксиду магнію Mg(OH)₂. При декарбонізації порового розчину гідроксидом кальцію Ca(OH)₂, тобто вапняної суспензією, також утворюється захисний шар з карбонату кальцію, а в разі надлишку вапна може утворитися захисний шар з CaCO₃ та Mg(OH)₂. Коли вода з зазначеними вище добавками потрапляє в пірітсодержащіе породи і в них уже почали протікати біохімічні процеси окисного вилуговування піриту, відбуваються реакції взаємодії цих речовин з сульфатами заліза і утворюється гідроксид заліза (III), що випадає в осад. Нейтралізація сірчаної кислоти вапняної суспензією супроводжується утворенням захисного гіпсового шару CaSO₄ • 2H₂O на поверхні гірської породи.

Розчини та суспензії гідроксидів і карбонатів N, K, Ca в рівній мірі можна використовувати і для гасіння вогнищ горіння гірських порід. При цьому одночасно відбувається охолодження породи рідиною і нейтралізація містяться в ній речовин новоутворення. Слід зазначити, що на всіх стадіях самонагрівання і горіння пірітсодержащіх гірських порід ці розчини та суспензії є найкращими інгібіторами за повнотою та ефективності нейтралізації процесів утворення шкідливих речовин (небезпечних і шкідливих газів, сірчаної кислоти, сірки і т.д.).

Способи профілактики самозаймання і гасіння породних відвалів випробувані і використані на ряді вугільних шахт. У всіх випадках як лужної рідини застосовували воду з добавками вапна (вапняного суспензії). Вапно – досить дешеву сировину, її є багато як відходів металургійного виробництва. Обробляли породу 3-5 – процентної вапняної суспензією. Витрата гашеного вапна 30-50 кг на 1 м³ води і 6-15 кг на 1 м³ гірської породи

Крім гасіння водою є такі способи гасіння породного відвалу:

1. Засипка поверхневого шару інертними сипучими матеріалами.

2. Замулювання відвалу через траншеї або нагнітання через обсаджені переформований трубами свердловини.

3. Замулювання глинистої пульпою.

4. Замулювання пульпою складається з води і меленого вапняку.

5. Використання інгібіторів окислювальних процесів – антиоксидантів.

6. Ліквідація вогнищ горіння шляхом активного охолодження маси атмосферним повітрям і водою.

Гасіння відвалу ізоляцією здійснюється шляхом засипання його глиною, піском, золою та іншими сипучими матеріалами. Товщина інертного шару повинна бути 1-1.5 м але не менше 0.5.

Найбільш поширеним способом є замулювання, особливо сумішшю меленого вапняку з водою. Цьому сприяють такі явища:

1. Вапняна пульпа через її тонкощі добре заповнює порожнечі, тріщини і обволікає шматки породи. Завдяки чому обмежується процес окислення останніх.

2. Їдкі та отруйні пожежні гази (H₂S, SO₂) поглинаються вапняної борошном.

3. Вапняк під дією високої температури дисоціює з виділенням вуглекислого газу, сприяє припиненню горіння.

Замулювання осередків горіння глинистої пульпою є не безпечним способом, оскільки можливі раптові прориви газоподібних продуктів високотемпературних процесів всередині очагав атмосферу через захисний шар.

Використання інгібіторів. В якості цих речовин використовуються бікарбонат кальцію, рідке скло, розчин сірчанокислого, вуглекислого та хлористого амонію. Внаслідок хімічної взаємодії антиоксидантів з поверхнею вугілля доступ до неї кисню атмосферного повітря ускладнюється.

Поточні і плановані результати по темі.

Відбита від масиву гірнича маса під дією гравітаційних сил і впливом робочих органів машин перемішується і перетворюється в середу з безладної орієнтацією шматків. В цьому випадку порожнистість поверхневого шару відвальної маси визначається розмірами межкускового простору. Хоча фільтрація в такому середовищі може бути досить значною, в ній є місця, де відстань між стінками тріщин не перевищує Δ =10^-7... 10^-8 м м тобто довжини вільного бігу молекул газу (γ) [6]. Повітря в таких мікротріщинах знаходиться в стані вакууму, і міграція газів відбувається внаслідок ефузивних процесів, тобто процесів закінчення розрідженого газу з отвору, характерні розміри якого менше довжини вільного пробігу молекул. Використання явища еффузіі дозволяє доповнити уявлення про зародження осередків самонагрівання в товщі породних відвалів.

Умова рівноваги розрідженого газу (мал.1) істотно відрізняється від аналогічного умови для не розрідженого газу::

де: P₁ і P₂ – тиску газу в першій і в другій частинах посудини відповідно, Па.

Одним з наслідків виразу є те, що якщо тиску P₁ і P₂ були спочатку однаковими, то внаслідок еффузіі газ почне перетікати з області з більш низькою температурою, в область з більш високою. Це явище називається теплової еффузіі.

Температура поверхні породного відвалу протягом доби змінюється під дією сонячної радіації, вітру, опадів і в той же час на деякій глибині температура залишається практично постійною (t_c). Навесні і восени денна температура, як правило, вище значення t_c, нічна – нижче. Це призводить до пульсацій повітря в приповерхневому шарі подрібнених порід, забезпечує надходження повітря у відвал вночі і виділення днем.

Розглянемо приклад неізотермічного течії газу в каналі. Якщо дві камери, що знаходяться відповідно при температурі T₁ і T₂, з'єднати довгим циліндричним каналом і заповнити систему розрідженим газом, в камерах встановляться тиску P₁ і P₂, що задовольняють умові