ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Провалы в Березниках – проседания грунта и техногенные землетрясения на территории Верхнекамского месторождения калийных и магниевых солей [1].

Березники и Соликамск, второй и третий по величине города Пермского края, расположены на шахтных выработках Верхнекамского месторождения.

На данной территории предприятие «Уралкалий» ведёт добычу минерального сырья для получения калийных удобрений, магниевого производства, технической и пищевой соли [2]. Галитовые отходы производства являются источниками загрязнения окружающей среды. Солеотвал СКРУ-2 г. Соликамска представляет собой насыпной вал из галитовых отходов и имеет следующий состав (в масс. %): 90,55 – 94,54 NaCl; 3,20 – 7,34 KCl; 1,34 – 1,48 CaSO4; 0,07 – 0,08 MgCl2 [3].

В целях снижения негативного влияния на окружающую среду, солеотвалы оборудованы противофильтрационными экранами и по периметру ограничены контурными дамбами. Для сбора рассолов предусмотрены рассолосборники и насосные станции. Однако, вымывание перенос частиц ветром может приводить к увеличению концентраций солей в почве и за границей солеотвалов [2].

В 1930-е годы были построены первые рудники сначала в Соликамске, а затем и в Березниках. Их строительство велось в достаточно благоприятных горно-геологических условиях залегания месторождения. Строительство второго рудника в Березниках велось в более сложных условиях. Из-за низкой устойчивости пород кровли пришлось вместо буровзрывного использовать комбайновый способ отбойки руды. Начали проявляться внезапные выбросы соли и газа при отработке сильвинитовых пластов. В результате города Соликамск и Березники оказались частично на подработанной территории.

1. Актуальность темы

Начиная с 1986 года, когда произошла первая авария на руднике в Березниках и по настоящее время ситуация остаётся крайне критической. Было зафиксировано уже пять провалов в Пермском крае, чему ранее предшествовали сильные техногенные землетрясения. Города Березники и Соликамск стали потенциально опасными. И поэтому наблюдение за рудниками ведётся геологической службой Уралкалия. Специалисты Горного Института УрО РАН и ОАО Галургия дали прогноз: в пределах панелей переходного периода существует вероятность образования нового провала в 2015 году. И этот прогноз осуществился, соответственно провалы грунта в Березниках не теряют свою актуальность.

2. Цели, задачи, объект и методы исследования

Цель исследования – изучить возможные причины и последствия провала грунта в Соликамске и Березниках. Также разработать мероприятия по минимизации негативного воздействия на окружающую среду.

Для достижения заданной цели необходимо решить такие задачи:

  1. Рассмотреть аварии на рудниках, процесс проседания грунта и образование воронок на местах аварии.
  2. Проанализировать причины провалов грунта.
  3. Рассмотреть последствия аварий.
  4. Рассмотреть пути ликвидации образовавшегося в камерах шахты рассола.
  5. Разработать программу для снижения масштабов экологической катастрофы.
  6. Определить оптимальные методы утилизации шлама рассолоочистки на Содовом заводе.

Объект исследования: процесс проседания грунта и техногенные землетрясения в Пермском крае.

Методы исследования – при выполнении магистерской работы был использован комплексный метод исследования: анализ и обобщение информационных источников, посвященных вопросам проблемы провалов грунта на территории Содового завода; теоретические исследования процесса минимизации негативного воздействия на окружающую среду; эколого-экономический анализ перспективных технологий использования образовавшегося рассола в производстве.

3. Процесс образования провалов грунта

11 января 1986 года в одной из камер горных выработок третьего рудника в Березниках были обнаружены струйки рассола. Локализовать нарастающий подземный поток не удалось. К середине марта мощность потока превысила тысячу кубометров в час. Началось затопление горных выработок. В ночь с 26 на 27 июля севернее солеотвала комбината, в лесном массиве, образовался первый провал, который сопровождался взрывом газов и мощными световыми вспышками. В августе провал заполнился водой.

Из-за низкого расположения грунтовых вод над поверхностью воды остались крутые края воронки, высотою около 20 метров. Провал перерезал небольшой лесной ручей благодаря чему образовался маленький водопад [4].

За провалом на БКРУ-3 ведёт наблюдение геологическая служба Уралкалия: два раза в год, ранней весной и осенью, проводятся замеры глубины провальной впадины. В 1988 году глубина составляла 105 м, в 1992 – 74 м. В феврале 2000 года – 52 м. В районе провала установлены измерительные приборы по наблюдениям за оседанием земной поверхности. Скорость оседания сократилась с 700 мм в год в 1986 году до 12 мм в год в 1999 году.

В 2010-х годах продолжался рост нескольких оврагов, а на поверхности зеленоватого озера плавали стволы упавших деревьев. Воронка имеет вытянутую форму. Размеры по поверхности воды около (150×70) м, по кромке леса  –  (210×110) м.

25 октября 1993 г. зарегистрировано техногенное землетрясение силой 4 балла по шкале Рихтера в районе БРУ-3.

5 января 1995 года произошло сильное техногенное землетрясение в Соликамске. Были зафиксированы пять толчков от 3,5 до 5 баллов. В итоге на первой и второй северо-восточных панелях СКРУ-2 грунт осел на три-четыре метра. Площадь просевшего участка составила (950×750) м.

9 октября 1997 года в Березниках произошло техногенное землетрясение силой 4 балла с эпицентром в районе второго и третьего рудоуправлений.

Всего за период с октября 1993 по ноябрь 2005 было зафиксировано несколько сотен техногенных землетрясений силой от 2 до 5 баллов.

5 января 1995 года за несколько секунд в Соликамске образовался провал глубиной более 4 м площадью 950 на 750 м. Под землю ушли озеро и питавшие его родники.

В 1998–2001 годах произошли небольшие провалы почвы возле поселка Новая Зырянка (территория выработок БРУ-1), резкое проседание почвы в районе речного порта, трещины в стенах нескольких жилых домов и школы-интерната в Березниках. Геологами, геофизиками и геомеханиками ОАО Галургия и Горного института отмечены шесть потенциально опасных зон города. Кроме названных выше, это: жилой микрорайон, ограниченный улицами Свердлова, Юбилейная, Мира, Пятилетки, плотина Первого (Семинского) пруда и район городских очистных сооружений. Специалистами пермского Горного института был сделан прогноз: с 2003 года ожидается рост подземных подвижек с пиком в 2006 году. Как показало время, общий прогноз был верным. Однако, по существующим фактам, точное время и место ни одного из провалов не были реально спрогнозированы. Даже районирование по ускоренным оседаниям и инструментальный мониторинг состояния породного массива не позволяют предугадывать сроки и объёмы следующих провалов.

После аварии на третьем, на первом руднике начались работы по закладке шахтных выработок под городскими кварталами. В 2001 году оставшийся объём работ оценивался в 27,4 млн. м3.

Причиной провала названо землетрясение мощностью четыре балла. Под угрозой затопления оказались первый и второй рудники, соединенные выработкой, и жилые дома в Соликамске. Разрушений и затопления второго рудника удалось избежать [5].

4. Необходимость ликвидации рассола из шахт

В октябре 2006 года на одном из участков первого рудника в Березниках было обнаружено увеличение притока рассола. Спустя 10 дней скорость притока достигла 1,2 тыс. куб. м в час. Руководство Уралкалия пыталось возобновить работы, но безуспешно, в результате было решено затопить рудник. В июле 2007 года на месте рудника образовался провал.

К 4 мая 2008 года размеры внешней воронки составляли 385 на 270 м, размеры воронки в коренных породах – 330 на 230 м. С 27 мая из-за заполнения поступающими рассолами вентиляционного штрека по пласту В принудительная вентиляция рудника была прекращена. Отвод газовоздушной смеси из шахты производился по трубопроводам через стволы № 3 и 4. К июню на дне воронки образовалось небольшое озеро.

В ноябре 2008 года полностью завершился процесс затопления горных выработок первого рудника и начался процесс заполнения провала водой и восстановления сдренировавших запасов подземных вод водоносных горизонтов надсолевого комплекса пород. Радиус депрессионной воронки вокруг провала оценивался в один километр. А процесс восстановления сопровождался газовыделением. К этому времени размеры внешней воронки достигли 437 на 323 м, воронки в коренных породах – 405 на 290 м.

15 февраля 2009 года началось распространение воды из провала на участки пониженных форм рельефа в западном направлении. К этому времени размер воронки составлял 446 на 328 м, а прирост уровня воды 0,1 м в сутки. Наблюдения за уровнем подземных вод осуществлялись ежесуточно прямым замером уровней рассолов в стволе № 3 и дистанционными измерениями уровня воды в воронке провала. Расстояние до железнодорожных путей составляло 80 м.

По состоянию на 24 ноября 2011 года расстояние от восточного края воронки до железнодорожных путей составляло 69 м, абсолютная отметка уровня воды в воронке – 109,98 м.

18 ноября 2014 года Уралкалий сообщил об увеличении притока рассолов в шахту рудника рудоуправления Соликамск-2 (СКРУ-2). Был введен план ликвидации аварии, включающий вывод штатного персонала на поверхность и приостановку добычи руды в аварийном руднике.

В период с 18.11.2014 по 10.12.2014 размеры провала № 5 увеличились до (50 х 80) метров, средний уровень притока рассолов в шахту СКРУ-2 составил более 700 кубометров в час (за указанный период скорость притока постоянно варьировалась).

17 февраля в Пермском крае в городе Березники произошел новый провал грунта [6]. Воронка образовалась в районе бывшей школы № 26 диаметром пять метров.

По наблюдениям с 7 января по 4 февраля 2015 скорости оседаний на спортивной площадке (в районе дома № 9 по ул. Калийная) составили 33-73 мм/месяц, на территории гаражного кооператива Техник – 27-37 мм/месяц, в районе дома № 31 по ул. Котовского (южная граница ППП) – 158-195 мм/месяц, на здании ОАО «Галургия» – 26-29 мм/месяц, на доме № 1 по ул. Горького – 22-28 мм/месяц, на здании бывшей школы № 26 – 11-41 мм/месяц.

11 февраля 2015 г. на заседании комиссии по предупреждению и ликвидации чрезвычайных ситуаций (КЧС) было объявлено об образовании прогиба (мульды сдвижения) диаметром около 30 м и глубиной 5 м в районе домов № 28-33 по ул. Котовского.

По итогам наблюдений, с 4 февраля по 4 марта величина оседания на спортивной площадке, в районе дома № 9 по ул. Калийная (50 м к западу от нового провала), составила 39-75 мм/месяц, на территории гаражного кооператива Техник – 30-49 мм/месяц, в районе дома № 31 по ул. Котовского – 159-193 мм/месяц, на здании ОАО «Галургия» – 28 мм/месяц, на доме № 1 по ул. Горького – 24 мм/месяц, на здании бывшей школы № 26 – 21-48 мм/месяц.

4 марта 2015 образовалась воронка в подвале многоквартирного дома № 9 по проспекту Ленина (500 м к северо-востоку от проходной БРУ-1, около 800 м к востоку от засыпанной воронки на станции Березники).

20 мая 2015 на очередном заседании комиссии по предупреждению и ликвидации чрезвычайных ситуаций было сообщено об увеличении размеров провала у бывшей школы № 26. Размеры воронки составляют 22 на 22 метра, это связано с оползанием бортов провала. Значения сейсмоактивности остаются на уровне февраля 2015 г.

5. Возможность применения рассола

Учитывая тот факт, что провалы образуются в непосредственной близости от Березниковского содового завода, то мы можем предложить образовавшийся в скважинах рассол в качестве сырья для получения извести и кальцинированной соды.

5.1 Подготовка рассола для подачи в производство

Данный рассол образован при выбросах калийных и магниевых солей и их взаимодействии с водой. Для подачи рассола в производство следует пройти стадии: подготовка рассола, отстаивание, фильтрация, смешивание, сушка-прокалка [7]. Вследствие нескольких стадий очистки можно получить очищенный рассол и шлам (рис. 5.1).

Рисунок 5.1 – Схема стадий очистки рассола

Рисунок 5.1 – Схема стадий очистки рассола

При создании малоотходной, или экологически рациональной, технологии стремятся обеспечить потребность в шламе рассолоочистки наиболее полным использованием природных ресурсов (материальных и энергетических), т. е. предусматривается организация переработки вторичных материальных ресурсов и исключение вредных выбросов в атмосферу и водоемы, а также максимальное сокращение потерь тепла в окружающую среду.

5.2 Подготовка рассола для подачи в производство

Приведем технологию переработки шлама в известь (рис.5.2) [8].

После очистки рассол поступает на переработку шлама. Сырой рассол поступает в отстойник радиальный 1. Осветленная фаза после отстойника поступает на производство кальцинированной соды, а сгущенная – в промежуточную емкость 2 и затем в фильтр-пресс ФПАКМ (фильтр-пресс автоматический камерный модефицирований) дня снижение содержания ионов Cl- до 2% путем снижения влажности перед промыванием за счет его прессования, поскольку присутствие хлор-ионов усложняет процесс промывки[9]. Фильтрат с фильтр-пресса поступает в сборник 4, откуда направляется в производство соды.

Промывочный фильтрат, а также регенерационная жидкость после промывки фильтровой ткани собирают в емкости 5 и направляется в производство соды. Отфильтрованный осадок транспортером 6 подается в бункер-вибродозатор 7. После бункера материал загружают в известково-обжиговую печь 8, где он высушивается до 8 %. Топливом для обжига материала в печи служит природный газ, а также в печь подают воздух [10]. Температура в зоне обжига печи равна 1000 °С. После обжига материал поступает в холодильник 9, а затем в молотковую дробилку 10, где он измельчается, а затем в силос 11. Из силоса 11 продукт – строительная известь – направляется потребителю. Отработанный газ направляется через пилеосадительную камеру в циклон 12 для очистки от пыли. Степень очистки в циклоне – (95 ÷ 98) %.

Схема переработки шлама рассолоочистки в производстве извести Анимация: формат - gif, кадров - 5, повторов - 25, длительность - 8 сек.

A – сырой рассол, B – в производство соды, С – газ, D – воздух, F – известь;
1 – отстойник; 2 – промежуточная ёмкость; 3 – камерный фильтр - пресс, 4 – сборник фильтрата; 5 – сборник промывных вод; 6 – транспортер; 7 – бункер-вибродозатор; 8 – известково-обжиговая печь; 9 – холодильник; 10 – молотковая дробилка; 11 – силос; 12 – циклон.
Рисунок 5.2 – Схема переработки шлама рассолоочистки в производстве извести.

Выводы

Таким образом, мы выбрали способ переработки рассола, а также обосновали метод утилизации шлама, который образовался в результате очистки рассола.

Рассмотрены причины и следствие провалов почвы в Пермском крае. Предложены методы для минимизации негативного воздействия на окружающую среду.

Важное замечание

При написании данного автореферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2015 г. Полный текст работы и материалы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

  1. Информационно-деловой портал г. Березники Пермский край. [Электронный ресурс].  – Режим доступа: http://xn--90aiaifanwy.xn--p1a...
  2. Белкина, Е. А. Ферментативная активность почв вблизи солеотвала СКРУ-2 г. Соликамска / Е. А. Белкина, Е. В. Пименова – 2014. – С. 20 – 22.
  3. Еремченко, О .З. Почвенно-экологические условия зоны солеотвалов и адаптация к ним растений / О. З. Еремченко // Экология. – 2007. – № 1. С. 18 – 23.
  4. Шиман, М. И. Предотвращение затопления калийных рудников. – М.: Недра, 1992. – С. 30 – 40.
  5. Мананкова, Е. И., Ганнова, Ю. Н. Провал грунта в Пермском крае в результате притока рассола в шахту // Экология и здоровье / 1 открытая республиканская научно-практическая конференция учащейся и студенческой молодежи, учителей общеобразовательных учебных заведений и учреждений дополнительного (внешкольного) образования. – Донецк, ДонНТУ – 2015.
  6. Мананкова, Е.И., Ганнова, Ю.Н. Новый провал грунта в городе Березники // Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов / IХ Международная научная конференция аспирантов и студентов. – Донецк, ДонНТУ – 2015.
  7. Зайцев, И. Д. Производство соды / И. Д. Зайцев, Г. А. Ткач, Н. Д. Стоев. – М.: Химия, 1986. – 312 с.
  8. Мананкова, Е. И., Ганнова, Ю. Н. Утилизация шлама рассолоочистки в производстве кальцинированной соды // Охорона навколишнього середовища та раціональне використання природних ресурсів / Збірка доповідей XXIV Всеукраїнської наукової конференції аспірантів і студентів. Т. 1 – Донецьк: ДонНТУ, ДонНУ, 2014. С. 32 – 34.
  9. Касаткин, А. Г. Основные процессы и апараты химической технологии / Под ред. А. А. Вексера. – М.: Химия, 1961. – 629 с.
  10. Монастырей, А. В. Печи для производства извести / А. В. Александров. М.: Металлургия, 1979. – 436 с.