Аннотация
Чепак О. П., Завьялова Е. Л. Определение параметров технологии восстановления биологического разнообразия в выработанном пространстве карьеров В работе определены параметры технологии восстановления биологического разнообразия в выработанных пространствах карьеров на основании раскрытия закономерностей теплообмена между породным массивом и водной средой при использовании геотермальной энергии.
На сегодняшний день в горнодобывающей промышленности существует ряд экологических проблем. Одна из них – восстановление биоразнообразия карьерного пространства при разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом.
Горнодобывающие работы убивают растения, изменяют микроценоз, разрушают плодородный слой, консументы лишаются мест своего обитания из-за нарушения пищевой цепочки и условий жизни в целом.
Ускорить процесс формирования биогеоценоза в выработанных пространствах карьеров можно только создав для этого необходимые гидрогеологические условия. Вода является основой для формирования и развития живых форм материи. Авторами предложен способ, позволяющий ускорить восстановление биологического разнообразия в выработанных пространствах карьеров путем очистки атмосферы и гидросферы, возрождения флоры и фауны на основе круглогодичного управления состоянием потоков карьерных вод за счет использования геотермальной энергии [1].
Основной водоприток в карьер происходит из водоносного горизонта, который показан с левого борта карьера (рис.1). Выработанное пространство схематично представлено в виде прямоугольника. В центре выработанного пространства располагается основная дамба, сооружаемая из железобетона или насыпная, из не склонных к размоканию материалов, например из кусков песчаника, известняка, отработанных автомобильных скатов, строительных или других отходов четвертого класса.
Рисунок 1 – Схема сооружения для очистки воды карьера с использованием геотермальной энергии: 1 – основная дамба; 2 – дополнительные дамбы; 3 – отстойник № 1; 4 – русло; 5 – основной отстойник; 6 – насос; 7 – труба для откачивания воды; 8 – въездная полутраншея; 9 – водоприток; 10 – борт карьера; 11 – вертикальный скважинный коллектор труба в трубе
; 12 – скважины, заполненные теплопроводной смесью.
Основная функция дамбы – разделить дно карьера для придания кругового движения водному потоку, тем самым увеличив расстояние течения воды и обеспечив продолжительность её физической и биологической очистки. Для увеличения длительности прохождения воды через карьер, тем самым увеличения степени очистки воды, созданы вспомогательные дамбы, разделяющие верхнюю и нижнюю часть карьера. Вспомогательные дамбы расположены в шахматном порядке. В областях расположения дамб проектируется образование болотистой среды с обильной растительностью. Основой дамбы будут служить бетонные блоки или каменистые насыпи из не склонных к размоканию горных пород, перекрытые слоем чернозёма. Для минимизации эрозии и вымывания почвы поверхности дамб засеяны растениями.
Для круглогодичной очистки воды по руслу водотока справа и слева от вспомогательных дамб предлагается пробурить скважины глубиной 50–100 м, располагая в них вертикальный скважинный коллектор труба в трубе
. В этом случае пластиковая труба (диаметром 32–50 мм) проходит по оси стальной (диаметром 100–120 мм), заваренной внизу. Вода из водоносного горизонта через конфузор попадает в межтрубное пространство и за счет скоростного напора движется вниз по трубе. По мере продвижения происходит теплообмен между стенкой металлической трубы с температурой вмещающих пород и водным потоком, в результате чего температура воды повышается. В нижней части трубы поток за счет скоростного напора и разности плотностей нагретой и холодной воды меняет направление на 180 градусов и поднимается по внутренней пластиковой трубе на поверхность. Расстояние между скважинами должно быть не меньше 10–15 м. Такая конструкция успешно сопротивляется подвижкам грунта и обеспечивает хорошую теплопередачу
На основании проведенного химического анализ проб воды Амвросиевского карьера, была выбрана высшая водная растительность, которая будет произрастать на вспомогательных дамбах и выполнять основные функции по очистке воды.
При очистке вод карьера лучше всего используют такие виды высших водных растений, как камыш, и тростник озерный, так как данные растения являются наилучшими очистителями [2].
К дискуссионным вопросам, связанным с эксплуатацией сооружений фитотехнологии, относится зимний режим.
Чтобы избежать снижения эффективности очистки воды в зимний период, необходимо поддержание температуры воды в очистном сооружении на уровне 10 °С–12 °С. При таком температурном режиме вода не успевает замерзнуть, а ее температура существенно снизиться под ледяной коркой сооружения. При температуре сточных вод ниже 6 °С жизнедеятельность микроорганизмов, а следовательно, и их активность резко снижаются; при температуре свыше 37 °С заметно уменьшается скорость нитрификации в связи с уменьшением в воде растворенного кислорода. Таким образом, оптимальной является температура 10 °С–12 °С в зимний период и до 28 °С в летний.
Поддержание необходимой температуры воды в биоочистителе круглый год предотвратит промерзание мелководных потоков, а содержащийся в очистном сооружении ресурс воды будет выполнять круглогодично функцию очистки атмосферы путем растворения диоксида углерода и других газов с последующим усвоением их растениями для строения и питания клеток.
Целью работы является определение параметров технологии восстановления биологического разнообразия в выработанных пространствах карьеров на основании раскрытия закономерностей теплообмена между породным массивом и водной средой при использовании геотермальных теплообменников в биоочистном сооружении.
Для обеспечения нагрева воды в геотермальном теплообменнике был произведен тепловой и гидравлический расчет.
Согласно проведенным расчетам, для нагрева воды за счет геотермальной энергии до температуры 12 °С необходимо пробурить геотермальную скважину диаметром 200 мм и длиной 76 м, которую на глубину 25 м необходимо оснастить теплоизоляцией из пеностекла толщиной 20 мм, а затем установить стальной кожух из стали 4Х13 с толщиной стенки 20 мм, а коаксильно с ним пластиковую трубу диаметром 50 мм и длиной 75 м.
Пространство между кожухом и массивом на участке от 25 до 75 м заполняется глино-графитной смесью с содержанием графита 50%
При суточном расходе воды в карьере 660 м/сутки, необходимо пробурить 24 такие скважины.
В связи с техническими трудностями и большими затратами при организации подачи воды в скважину насосом, было решено организовать её работу в режиме самотека. Для этого на входе в кольцевой зазор необходим скоростной напор, позволяющий нагреваемой воде преодолеть потери на трение и местные сопротивления и выйти из внутренней трубы на водоносный горизонт.
По данным расчета, для обеспечения движения воды самотеком карьер необходимо спроектировать с уклоном 6,5°.
Таким образом, применение вертикального скважинного коллектора труба в трубе
и использование глино-графитной смеси при его размещении в грунте для интенсификации процесса извлечения геотермальной энергии позволит стабилизировать температурный режим карьерных вод и обеспечить круглогодичную работу биоочистного сооружения [3].
Список использованной литературы
1. Костенко В. К. Восстановление биологического разнообразия в выработанных пространствах карьеров. / В. К. Костенко, Е. Л. Завьялова, О. П. Чепак Проблемы недропользования: междунар. форум-конкурс молодых ученых, 23–25 апреля 2014 г.: сборник науч. тр. Часть ІІ. – Санкт-Петербург, 2014. – C. 131–133.
2. Кислица А. С. Низкозатратные фитотехнологии для очистки сточных вод, защиты рек и водохранилищ от загрязнения. – Харьков: Украинский центр фитотехнологий, 2007. – 18 с.
3. Костенко В. К. Патент на корисну модель № 91730 Україна, МПК F24J3/08. Спосіб видобування геотермального тепла / В. К. Костенко, О. Л. Зав'ялова, І. В. Скринецька, О. С. Шипика, О. П. Чепак, Ю. І. Філатов; заявник і власник ДонНТУ. – № u2014 02110; заявл. 03.03.2014; опубл. 10.07.2014, Бюл. № 13.