Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Породные отвалы — это неотъемлемый элемент большинства угольных шахт, а также обогатительных фабрик, разрезов, карьеров. В Донецком регионе в связи с наличием полезного ископаемого — угля расположено много предприятий данной отрасли. Всего на Донбассе около 1260 породных отвалов, которые принимают породу от отдельной шахты, обогатительной фабрики или от группы угольных предприятий. Наибольший вред природному ландшафту наносится отсыпкой конических и хребтовидных отвалов, высота которых в отдельных случаях достигает 110–120 м. Размер и форма отвалов влияют на интенсивность теплообмена в глубинных зонах, определяют фильтрующие свойства отвалов и способствуют или препятствуют генерации и аккумуляции тепла. Наиболее интенсивные процессы протекают на гребнях плоских и на вершинах конических отвалов, которые легко обдуваются потоками атмосферного воздуха. Вместе с тем, имеет место очаговое горение породы на поверхности отвалов различной конфигурации. Отвалы с высотой менее 30 м практически не горят, с высотой до 50 м горят 60 % отвалов, до 90 м — 87 %, свыше 90 м — горят практически все отвалы [1–2].

Специфика подземной добычи угля состоит в том, что на каждые 1000 т добываемого в мире угля на поверхность выбрасывается до 12 кг угольной и породной пыли; 50–570 тыс. м3 метана; 7,5–15 тыс. м3 углекислого газа; около 5,5 тыс. м3 окислов, образующихся при взрывных работах; 1,5–9 тыс. м3 шахтных вод; 210–300 т (а в Донбассе до 800 т) породы. А отходы обогащения углей образуются в количестве 3 т на 1 т угля [5]. Общий объем горной массы, находящейся сейчас на земной поверхности в нашем регионе превышает 2 млрд. м3. К тому же породный отвал, в особенности горящий, это источник непрерывного выделения загрязняющих веществ в окружающую среду, а изменения обусловленные нарушением земной поверхности, негативно сказываются на ее биологических, эрозионных и эстетических характеристиках [3].

1. Актуальность темы

На данный момент на Донбассе под породными отвалами занято 5526,3 га, причем площади, отведенные под отвалы, с каждым годом увеличиваются за счет непрерывного поступления породы на отвалы, находящиеся на балансе действующих предприятий. Кроме отчуждения больших площадей земельных угодий, породные отвалы коренным образом изменяют природный ландшафт. А вследствие самовозгорания породных отвалов, а также ветровой и водной эрозии загрязняются воздушный и водный бассейны, грунт, источники водоснабжения. Из горящего породного отвала средних размеров на протяжении года выделяется приблизительно 15 тыс. т углекислого газа, 5 тыc. т оксида углерода, а также большое количество пыли [1].

Таким образом, тема дипломной работы является актуальной, поскольку в Донецком регионе остро стоит проблема наличия породных отвалов, многие из которых являются горящими. Продукты горения серы, различные оксиды и угольная и породная пыль негативным образом влияют на дыхательные пути человека, центральную нервную систему и другие органы. Рассматривать горную породу нужно как сырье, а не как отходы. Расформирование даже одного породного отвала даст такие результаты как освобождение занятой под ним территории, улучшение качества атмосферного воздуха, снижение негативного воздействия на население проживающее вблизи, а иногда и в пределах СЗЗ отвала. А в случае использования породы отвала для производства стройматериалов — наличие дешевого сырья.

2. Постановка задачи

Данный вопрос изучался на примере шахты им. М. И. Калинина, отвал которой имеет коническую форму, со срезанной верхушкой. За период эксплуатации на отвале заскладирована порода в объеме 1282 тыс. м3. Поскольку породный отвал классифицируется как горящий, то он должен пройти стадию тушения в соответствии с Инструкцией по предупреждению самовозгорания, тушению и разборке породных отвалов. В результате тушения снизится негативное воздействие отвала на окружающую среду, произойдет общее улучшение экологической ситуации в районе расположения предприятия.

Исследованием МакНИИ установлено, что породы в отвале данной шахты распределяются в следующем порядке: в нижней зоне располагаются крупные куски породы (90 %), в средней части террикона доля крупных кусков уменьшается до 20–35 %. Вершина состоит в основном из мелкокусковой породы. Еще важными параметрами для нашего исследования являются: влажность пород отвала, которая составляет от 7,6 % до 16,3 %; зольность 88,9–98,1 % [2].

Целью моей работы является устранение негативного влияния породного отвала на ОПС в районе его размещения.

Задачи работы:

Объект исследования: горная порода.

Предмет исследования: технологии и методы переработки горной породы.

3. Обзор исследований и разработок

Одним из наиболее приоритетных направлений использования горной породы является ее закладка обратно в выработанное пространство, но для многих шахт этот вариант использования отхода не подходит, поскольку порода уже заскладирована на земной поверхности в таких объемах, что ее транспортировка обратно под землю технически неудобна и экономически невыгодна. Следует отметить, что та порода, которая образуется при ведении горных работ, вообще не должна выдаваться на земную поверхность. Оставление породы в выработанном пространстве приведет к тому, что не нужны будут затраты на ее транспортирование от забоя на земную поверхность, а также прекратится накопление горной массы на уже существующих отвалах. Между тем, порода, размещенная на породных отвалах, особенно глинистые сланцы, является новым видом техногенного минерального сырья, которое может быть экономически и экологически эффективно использовано для изготовления строительного кирпича, керамических изделий, стенового материала, бетонных заполнителей и других целей. Наиболее широкое использование в различных странах мира нашли горелые породы, содержащие минимальное (менее 5 %) количество углистых примесей и минеральную глинисто-песчаную часть, обожженную в той или иной степени. Старые и полностью перегоревшие шахтные терриконы часто содержат горелые породы высокого качества, которые образовались в результате естественного обжига под влиянием высоких температур (до 1000 °С). Органические примеси при этом частично выгорают. Особенностью горелых пород является их высокая микропористость и, как следствие, появления микрощелей при самообжиге. Кроме того, они обладают достаточно высокой адсорбционной активностью [4]. С точки зрения возможного использования всю породу отвалов можно разделить на три группы:

На данный момент основными направлениями использования породы отвалов являются: засыпка выработанного пространства (94,4 % общего объема использования), производство стройматериалов (4,7 %).

Рассмотрим один из вариантов использования горной породы в народном хозяйстве. Луганскими учеными был разработан инвестиционный проект по переработке отходов угледобычи, с добавлением в них отходов промышленного птицеводства с целью дальнейшего использования в сельском хозяйстве как биоорганоминеральное удобрение.

Это производство состоит из трех основных этапов:

Схема производства удобрения с использованием породы

Рисунок 1 — Схема производства удобрения с использованием породы
(анимация: 5 кадров, 6 циклов повторения, 105 килобайт)

Биогумус, полученный на основе органических отходов и горной породы, содержит большое количество микроэлементов, необходимых для питания растений, и является высокоэффективным комплексным удобрением. Локальное внесение биогумуса в количестве 2–5 т/га может повысить урожайность сельскохозяйственных культур на 40–80 %. При этом решается задача восстановления черноземного слоя и увеличения плодородия почв, а также уменьшения количества отходов [3].

Другим направлением использования пустой породы является производство строительных материалов.

Горелая порода удовлетворяет требованиям химического состава, физических свойств, радиационно-гигиенической оценки и другим показателям в качестве сырья, способного на 30–4 0% заменить природное материальное сырье для стройиндустрии. Инновационные исследования показали также, что кроме вяжущего на основе горелой породы, могут быть получены бесцементные плотные и ячеистые автоклавные и безавтоклавные бетоны для производства широкой номенклатуры изделий: стеновых наружных блоков, стеновых внутренних блоков, перегородок, плит перекрытия, фундаментных блоков. Особое место в производстве изделий из горелых пород занимают крепежные бетониты — блоки разной величины и массы, особой формы, применяющиеся в угольной промышленности для крепления горных подземных выработок. Добавка (15–30 %) тонкомолотой горелой породы обеспечивает бетону солестойкость при воздействии сульфатных вод. На кафедре Полезные ископаемые и экологическая геология в ДонНТУ были проведены всесторонние исследования некоторых терриконов города Донецка с целью выявления возможных направлений использования пород этих отвалов. Результаты этих исследований свидетельствуют о том, что породы терриконов пригодны для изготовления керамзита, кирпича, насыпных грунтов и в качестве удобрений [4].

Из глинистых сланцев террикона шахты им. Калинина при добавлении в них глин был изготовлен строительный кирпич марки 75, сертифицированный опытно-производственной лабораторией геологической экспедиции Укргеолстрой (г. Киев). Этот кирпич легче глиняного и обладает лучшими теплоизоляционными свойствами [4].

Горелую шахтную породу терриконов после механической переработки на месте, можно использовать в качестве крупного и мелкого заполнителя в цементных бетонах и для изготовления мелкоштучных стеновых изделий (кирпич, камни, блоки), кровельной черепицы, декоративных облицовочных и дорожных плит. Горелопородное сырье в комбинации с известью, цементом или активирующими добавками позволяет получать высокоэффективный строительный материал нормируемого качества.

Выделяют основные режимы, технологии и номенклатуру строительной продукции, получаемой на основе горелой шахтной породы [3]:

На основе анализа отечественной и мировой практики освоения техногенных ресурсов можно сделать вывод, что их переработка может служить для горнодобывающих предприятий дополнительным источником получения цветных и драгоценных металлов, а также способствовать уменьшению вредного воздействия токсичных веществ на окружающую среду и возвращению в хозяйственный оборот ранее изъятых под отвалы земель. В отходах горнодобывающей промышленности установлено наличие черных (железо, марганец, хром), легирующих (титан, ванадий, никель, кобальт, молибден и вольфрам), цветных (медь, цинк, свинец, ртуть, сурьма и висмут), благородных (серебро), редких (литий, бериллий, стронций, иттрий, лантан, ниобий, кадмий, скандий, галлий и германий) металлов и неметаллов (фарфор) [3], и других полезных компонентов, как показано на рис. 2.

Содержание полезных веществ в породных отвалах Донецкого региона

Рисунок 2 — Содержание полезных веществ в породных отвалах Донецкого региона

Исследования химических особенностей пород шахтных терриконов свидетельствует о том, что горелые породы терриконов обогащены Fe2O3, K2O, P2O5, S. Наиболее сильно изменены аргиллиты, представленные спекшейся породой, содержащей остатки металлических изделий. Характерной чертой этих пород является очень высокое содержание Fe2O3 (67,7 %). Особого внимания в настоящее время заслуживают возможности использования глинистых сланцев, хвостов обогащения углей, а также других глинистых пород для получения глинозема (AI2O3), из которого выплавляется алюминий. Традиционный глинозем и алюминий получают из бокситов, т. е. пород с содержанием глинозема более 26–28 %. Но высокое содержание AI2O3 характерно и для пород терриконов Донбасса (до 28 % в аргиллитах и до 44 % в тонштейнах). В среднем по Донецко-Макеевскому району Донбасса содержания AI2O3 составляют: в текущих отходах угледобычи — 23,1 %, отвалах обогатительных фабрик — 20,2 %, отходах флотации — 25,8 %, породных отвалах — 21,7 % (наиболее высокие содержания глинозема зафиксированы в породах отвалов шахт им. Горького — 26,75 %, № 3 18 — 25,58 %, № 8 Ветка — 26,62 %, Красногвардейская — 26 %). Это свидетельствует о том, что породы терриконов и отвалов углеобогатительных фабрик можно использовать для получения глинозема, из которого выплавляют алюминий. И их нужно рассматривать в качестве нового нетрадиционного вида минерального сырья. В некоторых странах мира уже разработаны технологии получения глинозема из отходов добычи и переработки угля. Например, во Франции успешно опробован новый двух кислотный метод переработки отходов угольного производства для извлечения глинозема; технологи Польши доказали возможность промышленного получения глинозема из глинистых пород, содержащих около 25 % AI2O3. В этих, а также других странах мира доказана целесообразность получения глинозема из хвостов обогащения углей, а также других видов техногенного минерального сырья.

В случае если горная порода не соответствует нужным для ее использования требованиям, породный отвал необходимо озеленить, что существенно снизит количество пыли и газов, поступающих в атмосферный воздух. Также деревья, высаженные на отвале, препятствуют эрозионным процессам на его склонах.

Выводы

На момент написания автореферата дипломная работа еще не завершена. Вышеназванные основные направления использования твердых отходов шахты им. М. И. Калинина являются предметом более детального изучения в магистерской работе с целью выявления наиболее эффективного в условиях предприятия с учетом качественных характеристик породы. Текст завершенной работы можно получить у автора или научного руководителя после 30 июня 2017 года.

Список источников

  1. Костенко В. К., Шафоростова М. Н. Решение экологических и социально-экономических проблем угледобывающей отрасли на основе комплексного использования недр // Сборник трудов V международной конференции Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики (28–30 октября 2009). — Тула: ТулГУ, 2009, Т 1. — С. 438–446.
  2. Васильев С., Шафоростова М. Н. Перспективы использования горелых пород шахтных отвалов // Сборник трудов V региональной конференции Комплексное использование природных ресурсов. — Донецк, ДонНТУ, 2012. — С. 16–19.
  3. Колесникова В. В. Основные направления комплексного использования отвальной массы горнодобывающих предприятий // Сборник трудов II региональной конференции аспирантов и студентов Комплексное и рациональное использование природных ресурсов. — Донецк, ДонHТУ, 2009.
  4. Панов Б. С., Проскурная Ю. А. Новые виды минерального сырья Донбасса // Сборник трудов I научно-практической конференции Донбасс–2020: перспективы развития глазами молодых учeнных. — Донецк, ДонНТУ, 2002. [Электронный ресурс] Режим доступа: http://ea.donntu.ru.
  5. Соколов Э. М., Качурин Н. М., Мелехова Н. И. Рекультивация отвалов отработанных шахт Подмосковного бассейна. Известия ТулГУ. Науки о Земле, 2010. [Электронный ресурс] Режим доступа: http://cyberleninka.ru.
  6. Дворкин Л. И., Дворкин О. Л. Строительные материалы из отходов промышленности // Учебно-справочное пособие. — Феникс, 2007.
  7. Закон Об охране окружающей природной среды от 30 апреля 2015 года.
  8. Закон Об отходах производства-потребеления от 09 октября 2015 года.
  9. Курденко С. С., Шафоростова М. Н. Направления использования шахтной породы на примере шахты им. М. И. Калинина // Сборник научных трудов VII региональной конференции Комплексное использование природных ресурсов. — Донецк: ДонНТУ, 10 декабря 2015. [Электронный ресурс] Режим доступа: http://ea.donntu.ru.
  10. Снижение вредного воздействия породных отвалов угольных шахт на окружающую природную среду / Д. А. Козырь, Н. И. Артюхова, В. Н. Артамонов, В. Г. Ефимов // сб. науч. работ по материалам IX Всеукраинской научной конференции студентов, магистров и аспирантов Экологические проблемы регионов Украины.