Инновационные решения геоэкологических проблем угледобывающих районов Кузбасса Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 330. 341.1:502

Е.Л. Счастливцев, С.Г. Пушкин, А.А. Быков

ИННОВАЦИОННЫЕ РЕШЕНИЯ ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ УГЛЕДОБЫВАЮЩИХ РАЙОНОВ КУЗБАССА

ТЪ настоящее время, воздействие горного производства на

-М-Р окружающую среду вышло далеко за пределы горных (земельных) отводов предприятий, что превращает локальную экологическую проблему угледобывающего или углеперерабатывающе-го предприятия в региональную геоэкологическую проблему.

Особенность современного этапа развития угольной промышленности Кузбасса связана с проблемами освоения новых угленосных районов и практически одновременным закрытием значительного количества шахт.

В этих условиях становится совершенно необходимым создание систем геоэкологического мониторинга, оценки и прогноза состояния техноприродных комплексов угледобывающих районов нового класса, которые бы, с одной стороны, динамически отслеживали состояние угледобывающих районов (регионов) в целом, а, с другой стороны, позволяли бы оценивать воздействие различных факторов по нескольким многомерным критериям.

Кризисная экологическая обстановка, сложившаяся в Кузбассе, не является объективно неизбежной. Существует ряд природных факторов и технологических решений, которые минимизируют деструктивное воздействие горнодобывающих работ на окружающую среду, способствуют оптимизации нарушенных угледобычей экологических условий. Но используются они в настоящее время далеко не в полной мере, а если и проводятся, то не системно, без геоэкологического подхода к проблеме.

В связи с изложенным, необходима комплексная, базирующуюся на геоэкологическом методе, оценка воздействия угледобывающих работ на природную среду, что обеспечит повышение эффективности проводимых природоохранных и ресурсосберегающих мероприятий, направленных на экологическую безопасность и устойчивое развитие региона.

241

Важным показателем влияния подземных горных работ на геоэкологическое состояние районов угледобычи является деформационная оценка поверхности, как при действующем предприятии, так и после его закрытия.

Закрытие шахт методом полного затопления для условий Кузбасса приводит к деформациям поверхности на величину вынутой мощности пласта угля не зависимо от глубины отработки. Прова-лообразование и деформации поверхности наблюдаются на протяжении более 50 лет от момента затопления шахты. В связи с этим, при проектировании строящихся, реконструируемых и закрывающихся шахт в обязательном порядке производятся расчеты деформирования поверхности горного отвода совмещенные с планом поверхности.

Для уменьшения геоэкологических последствий от подземной добычи угля следует применять технологические схемы, обеспечивающие увеличение полноты выемки угля и уменьшающие количество межлавных целиков в выемочном поле. Особо следует обратить внимание на разработку и внедрение новых инновационных технологий добычи угля.

При определении оптимальных показателей нарушения земель действующими разрезами, следует разделить площади, нарушаемые предприятиями, по видам горных работ - карьерная выемка, отвал, и для каждого из них определить минимальные значения, при которых возможно ведение открытых горных работ (ОГР).

Площадь, нарушенная за определенный период времени работы разреза карьерной выемкой зависит от многих факторов, в числе которых основными являются угол падения пласта, угленасыщен-ность карьерного поля, годовая добыча угля, а так же угол откоса рабочего борта карьера -ур. Именно угол у р в определенных горно-геологических условиях оказывает наиболее существенное влияние на распределение во времени текущих площадей нарушения земель карьерной выемкой.

Эффективность использования земель карьером будет определяться величиной: Л « = у «к у «к

^ ^ факт 1 ^ норм 1

242

где £ ^Кфакт - площадь, фактически нарушенная карьером до 1 периода. При А 8К1 > 0 использование земель в карьере является неэкономичным и площадь А 81 является сверхнормативной.

Допускается превышение величин А 8К1 не более чем на 25% если это обусловлен технологической необходимостью и подтверждено необходимыми проектными расчетами.

Формирование техногенных массивов, в конечном счете, приводит к снижению ценности визуального ландшафта.

Основными показателями визуальности ландшафта являются:

• топография рельефа (разница высотных отметок, угол падения склонов);

• геологическое строение (выходы коренных пород, карсто-образование);

• почвенный покров и степень его нарушенности;

• гидрография (направление потоков, влажностной режим территории);

• климат (направление преобладающих ветров, туманообра-зование);

• растительность (видовое разнообразие, растительные дезэ-килибры).

Снижение ценности АЦ ландшафта при формировании в нем техногенных массивов рекомендуется определять в соответствии с Приложением 4:

АЦ = Ц - Ц 2

где Ц1- первоначальная ценность ландшафта, баллы; Ц2- ценность ландшафта после формирования в нем техногенных массивов, баллы.

Ответственность за снижение ценности ландшафта должно нести угледобывающее или углеперерабатывающее предприятие.

Важнейшим показателем геоэкологического благополучия в угледобывающих районах является качество поверхностных и подземных вод в зоне воздействия угледобывающего или перерабатывающего предприятия (УДПП). Таблица 1

Диапазоны изменения ОС для однократных уровней воздействия

Уровни | Название | Граничные значения ~

243

мин макс

I Довольно низкий <0,3

II Низкий 0,3 1

III Средний 1 2,5

IV Повышенный 2,5 4

V Высокий 4 6

VI Очень высокий 6 10

VII Чрезвычайно высокий 10 20

VIII Экстремально высокий > 20

Таблица 2

Диапазоны изменения АПОС для N - кратных

уровней воздействия

Уровни Название Граничные значения

мин макс

I Довольно низкий < 0,3 *N

II Низкий < 0,3 *N

III Средний 2^

IV Повышенный 4^

V Высокий 6^

VI Очень высокий 10^

VII Чрезвычайно высокий 10^ 20^

VIII Экстремально высокий > 20^

где N - количество ингредиентов, концентрация которых одновременно пре-

вышают соответствующие ПДК.

Оценка уровней воздействия относительных сбросов для отдельных загрязняющих веществ (ОС) и годовых ассоциативных показателей относительных сбросов (АПОС) производится в соответствии с табл. 1 и 2.

Если уровень воздействия, не превышает II уровня, то такие воды допускается сбрасывать без дополнительной физико-химической очистки.

Все остальные воды требуют специальных мероприятий по их очистке.

Допускается самоизлив шахтных вод действующих и закрытых предприятий на рельеф, если их воздействие не превышает II уровень по табл. 1 и 2.

Для снижения техногенного воздействия и повышения уровня очистки шахтных и карьерных вод на действующих и проектируе-

244

мых предприятиях рекомендуется применять технологические схемы очистки загрязненной шахтной воды в выработанном пространстве. Загрязненную воду из подготовительных и очистных забоев отводят в выработанное пространство отработанных столбов, которое используется в качестве отстойника.

Затопленные горные выработки и выработанное пространство закрытых шахт могут использоваться для очистки идентичных загрязненных вод шахт, разрезов и обогатительных фабрик. В этом случае в проектной документации в обязательном порядке должны приводиться научно обоснованные гидрогеологические расчеты, гидрохимическое и геохимическое обоснование и обеспечение гидрологического и гидрохимического мониторинга.

Использование карьерных выемок закрывающихся карьеров для складирования золошлаковых отходов ГРЭС и коммунальных котельных возможно с обязательным научным обоснованием параметров зоны фильтрации подземных вод при заполнении горной выработки золошлаковыми отходами. В обязательном порядке должны приводиться научно обоснованные гидрогеологические расчеты, гидрохимическое и геохимическое обосновании и обеспечение гидрологического и гидрохимического мониторинга.

При разработке проектов закрытия шахт:

• предусматривать, в обязательном порядке, сохранение хотя бы одной вскрывающей выработки (вертикального или наклонного ствола, уклона, бремсберга и т.д.) выходящей на поверхность и имеющей связь с сетью затапливаемых выработок;

• затопление горных выработок закрывающихся шах-тдолжно осуществляться только в регулируемом режиме;

• затопление закрывающихся шахт с использованием само-излива подземных вод из скважин или горных выработок без очистных сооружений допускается только при условии, если их воздействие не превышает II уровень по табл. 1 и 2;

• анализ гидрохимического и геохимического загрязнения поверхностных и подземных вод.

Таблица 3

Классы качества вод

Класс Качество воды Диапазоны ИНП и АП

I очень чистая <0,3

II чистая 0,3 - 1

245

III

IV

V

VI

VII

VIII

умеренно загрязненная загрязненная грязная очень грязная чрезвычайно грязная Экстремально грязная

1 - 2,5 2,5 - 4 4 - 6 6 - 10 10 - 20 > 20

При подземной газификации углей, возможно попадание в подземные воды широкого круга загрязняющих веществ, таких как фенолы, органические кислоты жирного ряда, пиридиновые соединения, смолы, аммиак, нитриты, нитраты, различные соединения серы, ароматические и алифатические углеводороды, ПАУ, спирты, карбоновые кислоты и сложные эфиры карбоновых кислот, нитросоединения, и т.д. и т.п.. В связи с этим:

1. Предприятия подземной газификации угля следует располагать на изолированных участках недр, не имеющих гидродинамической и аэродинамической связи с действующими предприятиями по добыче угля.

2. При проектировании предприятий подземной газификации угля в обязательном порядке необходимо проводить исследования и научно обоснованные гидрогеологические расчеты, гидрохимическое и геохимическое обосновании и обеспечение гидрологического и гидрохимического мониторинга.

3. В проектной документации в обязательном порядке должны быть разработаны рекомендации по снижению или устранению вредного воздействия загрязненных вод от подземной газификации угля на прилегающие природные комплексы и водные объекты.

Классы качества поверхностных и подземных вод определяются по принадлежности индивидуальных нормализованных параметров (ИНП) и ассоциативных показателей (АП) состава воды к соответствующему диапазону (табл. 3).

В случае, если качество поверхностных или подземных (последние должны иметь все признаки месторождения подземных вод в соответствии с действующим законодательством) вод соответствует IV - VIII классам, то необходимо разрабатывать комплексную программу реабилитации техногенно нарушенной территории (бассейна реки), а сбросы с очистных сооружений предпри-

246

ятий всех типов в подобные водные объекты должны характеризоваться показателем не выше уровня II по табл. 1 и 2.

Воздействие атмосферных выбросов угледобывающего предприятия сводится к загрязнению приземного слоя атмосферного воздуха содержащимися в выбросах загрязняющими веществами (ЗВ) и загрязнению почвенного покрова в результате осаждения этих ЗВ на земную поверхность.

Для интегральной оценки экологичности ведения работ по добыче угля предлагается использовать параметр 8зв (га/тыс.т), характеризует площадь территории с существенным загрязнением угольной пылью на 1000 т добычи угля.

По результатам обобщения расчетов показателя 8зв для угледобывающих предприятий Кузбасса можно выделить следующие категории предприятий с точки зрения уровня воздействия угледобычи на атмосферный воздух

1 категория (слабое воздействие)

2 категория (умеренное воздействие)

3 категория (сильное воздействие)

4 категория (опасное воздействие)

Предприятия 3-ей и особенно 4-ой категории используют экологически несовершенные угледобывающие технологии. На них в первую очередь должны внедряться атмосфероохранные мероприятия (пылеподавление, увлажнение, закрытые пункты погрузки и т.д.), при организации процессов добычи, транспортировки, хранения и отгрузки угля.

Оценка загрязнения почвенного покрова атмосферными выбросами от объектов угледобывающей промышленности ранжируются по степени опасности уровня суммарного пылевого загрязнения снегового покрова осуществляется на основе табл. 4.

Если в районе угледобывающего предприятия выявлены зоны опасного и высоко опасного пылевого загрязнения снега, то предприятие обязано внедрять атмосфероохранные мероприятия по пылеподавлению при проведении горных работ. Таблица 4

Критерии оценки пылевого загрязнения снегового покрова

8зв < 0.5; 0.5 < 8зв < 1.0; 1.0 < 8зв < 2.0; 2.0 < 8зв.

Уровень пылевого Фоно- Допусти- Умеренно Опасная Высоко

загрязнения снега вый мый опасный опасная

Пылевая нагрузка, кг/км2 в сутки <50 50-250 250-450 450-650 >650

247

Пылевая нагрузка, г/м2 за зимний пери- <8 8-40 40-70 70-100 >100

од

Пылевая нагрузка может быть получена в результате снегового анализа, проведенного в период весеннего снеготаяния или расчетным путем по данным инвентаризации предприятия и климатическим параметрам территории.

Техногенный рельеф отличается крайней динамичностью эндогенных и экзогенных процессов. В историческом плане он крайне не устойчив, требуется достаточно большой исторический период, чтоб он превратился в антропогенно измененный ландшафт. Гипергенная трансформация горных пород, эоловые и водные эрозионные процессы постоянно изменяют его. Тем не менее, он сохраняет большое индикационное значение, особенно для восстановления экологической значимости восстанавливающихся техногенных экосистем. Оценка деструктивного воздействия угледобычи на природную среду, и в частности на возможность восстановления растительного покрова нарушенных земель производится на основе

интегрального показателя состояния техногенно нарушенных территорий (Т^.

Интегральный показатель состояния техногенно нарушенных территорий (Т1) рассчитывается по формуле, учитывающий сумму баллов по каждому показателю, при наличии древесных растений добавляется индекс поврежденности деревьев (Бу) и умножается на климатический коэффициент (Кк), равный показателю увлажнения

Т1 = Кк ^ + Р1 + Б + + + Бу),

где Т1 - интегральный показатель состояния техногенно нарушенных территорий; Кк - показатель увлажнения; Of - баллы по орографическому фактору; Р1 - баллы потенциального плодородия; Б - плотность техногенного элювия (в баллах);

Таблица 5

Интегральная оценка пригодности нарушенных земель для рекультивации

Класс перспективности Сумма баллов (Т.) Рекомендации

1. Само восстанавливающаяся экосистема 47.4-56.7 Экосистема самовосстанавливающаяся, не требующая вмешательства и проведения дополнительных мер по рекультива-

ции

248

2. Восстанавли- Экосистема частично самовосстанавли-

вающаяся экоси- 35.7-47.6 вающая, требуется частичная рекульти-

стема. вация на отдельных участках.

3. экосистема слабо Экосистема слабо восстанавливающая,

восстанавливаю- 23.7-35.7 требующая проведения биологического

щаяся этапа рекультивации

4. Экосистема не восстанавливающаяся Менее 23.7 Для восстановления экосистемы необходимо проведения всего комплекса работ по горнотехническому и биологическо-

му этапам.

8и - стадии сукцессии; 8сИ - коэффициент сходства Съёренсена-Чекановского; Бу - индекс поврежденности древостоя.

Данный интегральный показатель, является основой для зонирования техногенно нарушенных территорий и планирования ре-культивационных работ (табл. 5).

В Институте угля и углехимии СО РАН разработан комплекс методик и расчетных моделей, обеспечивающих комплексную оценку экологических последствий добычи и переработки углей и предотвращению опасных экологических последствий в угледобывающих районах Кузбасса, ггтт^

— Коротко об авторах -

Счастливцев Е.Л. - д-р техн. наук, Пушкин С.Г. - канд. техн. наук, Быков А.А. - канд. физ.-мат. наук, Институт угля и углехимии СО РАН.

^_

--© Е.Л. Счастливцев, Г.А. Мандров,

2008

УДК. 622. 7

Е.Л. Счастливцев, Г.А. Мандров

ОБОГАЩЕНИЕ ШЛАМОВ КОКСУЮЩИХСЯ УГЛЕЙ С КОРОТКОЗАМКНУТОЙ СХЕМОЙ ПОДАЧИ ОБОРОТНОЙ ВОДЫ

249