Экологические последствия применения угля Донбасса (на примере шахты «Никанор–Новая ГП Луганскуголь»

Аннотация

Зборщик М. П., Ильяшов, М. А. Экологические последствия применения угля Донбасса (на примере шахты «Никанор–Новая ГП Луганскуголь» Важнейшей проблемой, всегда волнующей мировое сообщество и играющей зачастую определяющую роль в международных отношениях, является обеспеченность человечества энергетическими ресурсами.

Уголь — самый распространенный в мире вид ископаемого топлива, обладает большим чистым выходом энергии при производстве электричества, выработке высокотемпературного тепла для производственных процессов и относительно дешев.

Проблема использования угля связана с его качеством. Это вызывает ряд проблем: экономических, технологических, экологических.

Цель работы. Изучение качественных показателей углей шахты «Никанор–Новая ГП Луганскуголь» для выявления экологических последствий его применения и сопоставленее полученных данных с аналогичными показателями шахт ГП «Луганскуголь» («Белореченская», «Вергелевская», имени 19-го Партсъезда, имени Артема, имени Кирова, «Украина», «Черкасская»)

Задачи работы:

1. Исследование качественных показателей угля Донбасса на примере шахты «Никанор–Новая ГП Луганскуголь».
2. Выделение закономерностей пространственного распределения качественных характеристик угля.
3. Установление факторов, влияющих на распределение качественных показателей угля.
4. Выявление экологических последствий применения угля Донбасса.

Объект исследований: уголь пластов l₄^в, l₅ и k₆^в шахты «Никанор–Новая», а также некоторых шахт Донецкого бассейна, входящих в состав ГП «Луганскуголь».

Предмет исследований: угольная геология.

Научная новизна: Изучены качественные показатели углей для пластов l₄^в, l₅ и k₆^в шахты «Никанор–Новая» и проведен их сравнительный анализ с углями шахт ГП «Луганскуголь» («Белореченская», «Вергелевская», имени 19-го Партсъезда, имени Артема, имени Кирова, «Украина», «Черкасская»). Выявлено, что качественные характеристики шахт близки, но ряд показателей характерен для шахты «Никанор–Новая».

Практическое значение: Впервые на основании собранных данных изучены качественные показатели угольных пластов l₄^в, l₅ и k₆^в шахты «Никанор–Новая». Сделан прогноз их изменений в пределах намечаемой и отрабатываемой части пласта.

Основное содержание работы:

Донецкий бассейн (Донбасс), один из крупнейших в мире угольных бассейнов, расположен на территории Украины и России. Открыт в 20–х гг. 18 в., промышленное освоение с конца 19 в. Угли каменные. Разработка производится подземным способом. Донбасс подразделяется на 30 угленосных районов (рис. 1).

Рисунок 1 — Схема расположения угленосных районов Донецкого бассейна [7]

1 — Петриковский, 2 — Новомосковский, 3 — Петропавловский, 4 — Юго–Донбасский, 5 — Красноармейский, 6 — Донецко–Макеевский, 7 — Амвросиевский, 8 — Торезского–Снежнянский; 9 — Центральный, 10 — Северо–западные окраины Донбасса; 11 — Старобельская площадь, 12 — Лисичанский; 13 — Алмазно–Марьевский; 14 — Селезневский, 15 — Луганский, 16 — Краснодон; 17 — Ореховский; 18 — Боково–Хрустальський; 19 — Должанская–Ровенецкий; 20 — Миусский, 21 — Шахтинский–Несвитаевский; 22 — Задонский, 23 — Сулина–Садкинський; 24 — Гуково–Зверевський; 25 — Червонодонецкий; 26 — Каменско–Гундоровского; 27 — Билокалитвенський; 28 — Тадинський; 29 — Миллеровский; 30 — Цимлянский.

В Донбассе за более чем 200-летнюю историю добычи угля накопилось много экологических проблем. Проблема бытового и промышленного использования угля Донецкого бассейна в первую очередь связана с его качеством. В различных отраслях промышленности есть свои требования, предъявляемые к качеству угля. Отклонение от нормы некоторых показателей влияет на стоимость и даже сферу применения угля.

К одним из важных показателей качетсва угля относятся зольность и сернистость угля.

Зольность — отношение (в%) массы неорганического остатка (золы), что получено после полного сгорания угля, к единице массы исследованной пробы. Различают внутреннюю и внешнюю золы. Внутренняя («материнская») зона образуется за счет неорганических компонентов, связанных с органической массой угля, при повышенном тонкодисперсном распределении минеральных примесей в органическом веществе угля «материнская» зольность достигает нескольких десятков процентов. Это обусловливает переход угля в углистые породы. Внешняя зола образуется за счет минеральных включений, содержащихся в угле, а также внутришньопластових и вмещающих породах, засоряющих угля при добыче.

Зола состоит из продуктов окисления и обжига золоформуючих компонентов угля, а также некоторой количестве не выгоревших органических компонентов [5, 8].

Предельная зольность Аd угля для большинства направлений использования 25 — 37,5%. Кондициями, действующих установлена верхняя граница допустимой зольности в отдельных пластоперетинанях для балансовых запасов угля марок Д и Г — 35%; Ж, К и ОС 40%; Т, А — 30%. Уголь с более високими показателями зольностьи относится к забалансового. При зольности более 45% порода рассматривается уже не как уголь, а как углистый сланец.

Среди донецкого угля преобладает уголь с повышенной зольностью (Аd 15 — 20%), и почти весь уголь требуют обогащения. Малозольные угли (Аd < 8%) относительно широко распространены в нижнем карбоне; в среднем карбоне они встречаются лишь в единичных пластах. Конкретных закономерностей в изменении зольности угля в бассейне нет [4].

Сернистость весьма важный показатель угля, определяющий возможность использования его для производства металлургического кокса, а также для сжигания на крупных тепловых электростанциях.

Массовая доля общей серы в угле колеблется в широких пределах (0,1 — 11%). По величине Sdзаг угли разделяется на низкосернистые (до 1,5%), средннесернистые (1,5 — 2,5%), сернистое (2,5 — 4%) и высокосернистые (более 4%). Сера входит в состав органического вещества и минеральной части угля, иногда присутствует как элементарная. Выделяют разновидности серы: органическую Sо, сульфидную SS (связанную в основном с дисульфид железа) и сульфатную SSO4 (с сульфатами кальция, железа и других металлов). Массовая доля разновидностей серы определяется только при необходимости получения полной характеристики сернистости угля [7, 8].

При сжигании и газификации угля большая часть серы, содержащейся в них переходит в газообразные соединения, соответственно, в SO2 (с небольшой примесью SO3) и в H2S. При коксовании и полукоксовании в газообразные продукты переходит меньшая часть - до 45% первоначальной доли общей серы. Летучая сера загрязняет окружающую среду, корродирует поверхности аппаратуры, нелетучие сера переходит в кокс, ухудшая его качество и увеличивая расход при выплавке чугуна [5].

Для коксования и сжигания на ТЭС нежелательное присутствие угля с серой (Sdоб) больше 2,5 — 3,0%. Угли с содержанием серы более 4,5% для коксования, как правило, не допускается. В Донецком бассейне преобладают сернистые угли (Sdоб 2,5 — 3,5%). В очень немногих пластах невысокое содержание серы сохраняется на площади целого района. Чаще такие пласты встречаются в юго-западной части бассейна (Донецко–Макеевский и Красноармейский районы) [4].

Рассмотрим проблемы качества угля Донбасса на примере шахты «Никанор–Новая ГП Луганскуголь».

Шахта «Никанор–Новая» располагается в пределах Селезневского угленосного района, который простирается с запада на восток от ст. Дебальцево до с. Иллирия; общая протяженность его 45 км, ширина — 15 км и входит в состав ГП «Луганскуголь». Центром района является г. Парижская Коммуна, в северо–восточной части расположен г. Коммунарск. Основными видами промышленности в районе является угледобывающая и металлургическая; незначительный удельный вес в экономике занимает сельское хозяйство [2].

В структурном отношении, оцениваемая площадь находится на южном крыле Селезневской синклинали, вблизи ее перехода в Бахмутскую котловину. Углы падения преимущественно пологие (5 — 15°).

Шахта «Никанор–Новая» разрабатывает угольные пласты l₄^в, l₅ и k₆^в. Марка угля — Т (тощие). На поле шахты выявлено большое количество мелкоамплитудных нарушений. Распределение их по площади неравномерное. Максимальное их количество выявлено по пластам l₆^в , l₄^в, l₅, на северном участке, расположенном между двумя крупными тектоническими нарушениями: Продольным надвигом и II–ым продольным надвигом.

Особенно сильно нарушены породы в зоне влияния тектонических нарушений. Как показал опыт эксплуатации месторождения, здесь из–за сильной дробленности, изменения углов падения, интенсивного обрушения вмещающих пород, отработка угольных пластов практически невозможна.

По содержанию серы на площади балансовых запасов угли относятся к среднесернистым и повышенносернистым [1].

Нами были опробованы пласты l₄^в, l₅ и k₆^в, количество проб 21, 23 и 57 соответственно. Анализы были выполнены в лабораториях ПО «Укруглегеология». Полученные результаты приведены в таблице 1.

Для сравнения взяты показатели качества угля шахт ГП «Луганскуголь»: «Белореченская», «Вергелевская», имени 19–го Партсъезда, имени Артема, имени Кирова, «Украина», «Черкасская».

Были исследованы и изучены зольность и сернистость указанных выше шахт.

Таблица 1 Показатели зольности и сернистости (в %) пластов l₄^в, l₅ и k₆^в шахты «Никанор–Новая» [1].

Статистические показатели	Зольность (А)	Сернистость (S)
пласт l4в
min	4,9	1,4
max	31,7	4,3
среднее	13,0942857	2,854286
пласт l5
min	4,3	2,06
max	35,6	4,9
среднее	22,4334783	3,080435
пласт k6в
min	6,5	1
max	35,3	29
среднее	14,2396491	5,100357

Данные были обработаны на ЭВМ с помощью программ Microsoft Excel (в частности приложение Attastat), Surfer 8.

Для пластов l₄^в, l₅ и k₆^в шахты «Никанор–Новая» построена гистограмма изменения показателей зольности и сернистости (рис. 2 — 4).

Рисунок 2 — Распределение показателей зольности (А) и сернистости (S) угля пласта l₄^в

По пласту l₄^в значения зольности (Ad) колеблются в пределах 4,9 — 31,7%, среднее значение — 13,1%, сернистость (Sd) 1,4 — 4,3%, среднее 2,85.

Рисунок 3 — Распределение показателей зольности (А) и сернистости (S) угля пласта l₅

По пласту l₅ значения зольности (Ad) колеблются в пределах 4,3 — 35,6%, среднее значение 22,43%, сернистость (Sd) 2,06 — 4,9%, среднее 3,08%.

Рисунок 4 — Распределение показателей зольности (А) и сернистости (S) угля пласта k₆^в

По пласту k₆^в значения зольности (Ad) колеблются в пределах 6,5 — 35,3%, среднее значение 14,24%, сернистость (Sd) 1 — 29,0%, среднее 5,1%.

Наибольшие значения зольности наблюдаются в углях пласта l₅ (среднее 22,43%), сернистости — в углях пласта k₆^в. Поэтому для них построены карты пространственного распределения этих показателей (рис. 5 — 6).

Рисунок 5 — Пространственное распределение зольности угля пласта l₅

Угли пласта l₅ с содержанием золы более 28% списаны с отработки как нецелесообразные. Вероятнее всего большое содержание золы объясняется наличием в углях большого количества неорганических микрокомпонентов в виде тонких слоев, которые невозможно выделить при бурении.

Рисунок 6 — Пространственное распределение сернистости угля пласта k₆^в

Высокие содержания серы вероятнее всего связаны с тем, что пласт k₆^в имеет двухпачечное строение и содержит породные прослои, мощностью до 15 см.

Значения зольности и сернистости угля со средними значениями по другим шахтам ГП «Луганскуголь» детельно приведнны в таблице 2 и на рисунке 7.

Таблица 2

Шахта	пласт
	k6в			l5			l4в
	марка	А	S	марка	А	S	марка	А	S
«Белореченская»	Г	11,0-24,6	3,9-7,6	Г	29,4	4,0	Г	7,2-23,9	1,5-5,0
«Вергелевская»				К, Т	13-24	2,3-3,5	Ж, Т	13-31	2,4-4,4
имени 19-го Партсъезда	Г	11,0-24,6	3,9-7,6				Ж, Т	13-31	2,4-4,4
имени Артема	Т	7,2-10,3	0,8-1,2	Т	15,8-23	4,0-4,6	Т, ПА	6,3-17	3-5
имени Кирова	Г	10-16	3,8-4,5
«Украина»	Т	21,8-38	1,6-2,1	Т	15,8-23	4,0-4,6	Т, ПА	6,3-17	3-5
«Черкасская»	Г	11,0-24,6	3,9-7,6	Г	29,4	4,0	Г	7,7-24,3	1,9-3,0
среднее		17,5	4,04		21,7	3,9		16,5	2,8

Рисунок 7 — Гистограмма средних значений зольности (А) и сернистости (S) шахт ГП «Луганскуголь» («Белореченская», «Вергелевская», имени 19-го Партсъезда, имени Артема, имени Кирова, «Украина», «Черкасская»)

Заключение:

Сравнивая качественные характеристики шахт можно сказать, что значения зольности и сернистости по шахте «Никанор-Новая» схожи со значениями по остальным шахтам ГП «Луганскуголь», входят в пределы средних содержаний в Донбассе.

Высокие содержания золы и серы в углях Донбасса влияют не только на экспортный потенциал угля, но и на окружающую среду. Это сказывается на почве, в частности сельскохозяйственных угодьях (при добыче угля, складирование отходов угледобычи), атмосфере (сжигание угля), водных объектах, а также на жизнедеятельности человека [3].

Список литературы:

1. Геологический отчет о переоценке запасов каменных углей поля шахты «Никанор» ПО «Ворошиловградуголь», книга 1, Донецк, ПО «Укруглегеология», 1988 г., 312 с.
2. Геология месторождений угля и горючих сланцев СССР, том 1, редактор издательства Г. А. Израилева, И. Е. Колтова, Ленинград, 1963 г., 1210 с.
3. Зборщик М. П. О неотложности решения проблем геоэкологии Донбасса / Зборщик М. П., Ильяшов, М. А. — «Уголь Украины», 2007. — №12 (612) — с.3 — 6.
4. Методика разведки угольных месторождений Донецкого бассейна. — М.: Недра, 1972. — 340 с.
5. Нагорний Ю.М., Нагорний В.М., Приходченко В.Ф. Геологія вугільних родовищ: Навч. Посібник. Дніпропетровськ Національний гірничий університет, 2005.
6. Юдович Я.Э., Кетрис М.П. Неорганическое вещество углей. — Екатеринбург: УрО РАН, 2002. — 196 с.
7. Юровский А.З. Сера каменных углей / А.З. Юровский. — М.: 1960. — 295с.
8. Характеристика качества углей [электронный ресурс]. — Режим доступа: http://krasugol.ru/index.php/