Методические положения комплексной оценки воздействия породных отвалов шахт на окружающую среду Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

Key words: crushing rocks, blasting, open pit, deep-hole charges, conversion additive, drilling and blasting operations, environmental protection, geoecology.

Komashenko Vitalyi Ivanovicg, doctor of technical sciences, professor, gali-na_stas@mail.ru, Russia, Vladikavkaz, North Caucasus State Technological University

УДК [622.271.45:504.1]-047.43

МЕТОДИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ КОМПЛЕКСНОЙ ОЦЕНКИ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПОРОДНЫХ ОТВАЛОВ ШАХТ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ

Н.Д. Левкин, С.З. Калаева, В.Л. Рыбак, С.М. Богданов

Уточнены закономерности воздействия породных отвалов угольных шахт на окружающую среду как в процессе их эксплуатации, так и после ликвидации шахт. Усовершенствованы методические подходы к комплексной геоэкологической оценке воздействия породных отвалов угольных шахт на окружающую среду. Показано, что эффективный подход основывается на адекватных моделях ветрового обтекания отвалов и конвективно-диффузионного переноса пылегазовых примесей в зоне действия отвалов.

Ключевые слова: породный отвал, воздействие, окружающая среда, воздушный поток, диффузия, пыль, газовый загрязнитель, математическая модель, оценка экологических последствий, вычислительный эксперимент.

В последние годы в мире растет значение угля как источника энергии и ожидается, что в перспективе такая тенденция сохранится. Согласно прогнозу «Energy Information Administration» к 2030 г. доля угля в мировом потреблении энергоносителей составит около 28 %, а в производстве электроэнергии - примерно 45 % (например, в 2004 г. - 43 %). В настоящее время уголь имеет ценовые преимущества перед нефтью и природным газом. Несмотря на возрастающие транспортные издержки, аналитики называют уголь «конкурентоспособным энергоносителем будущего». Долгосрочная программа развития угольной промышленности России также нацелена на реализацию потенциальных конкурентных преимуществ российских угольных компаний и переход к инновационному социально ориентированному типу экономического развития страны. Прогнозный диапазон рациональных объемов добычи угля в 2030 г. должен составить 380...430 млн т. При этом научные исследования, связанные с экологической оценкой реструктуризации и диверсификации угольной промышленности, позволят реформировать экономику страны во многих промышленных отраслях на собственной природно-ресурсной базе.

43

_Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2016. Вып. 1_

В соответствии с программой реструктуризации и общей стратегией развития угольной промышленности России предусматривается превращение ее в устойчиво функционирующую и рентабельную отрасль. В результате осуществляемой реструктуризации угольной промышленности России и ликвидации нерентабельных угледобывающих предприятий произошла ликвидация ряда шахт Кузбасса и Восточного Донбасса, а также полная ликвидация угольных шахт и разрезов Подмосковного угольного бассейна. Но весьма ощутимые масштабы воздействия на атмосферу и гидросферу, а также техногенная активизация геохимического переноса на территориях этих регионов сохраняются. Особую остроту приобретают проблемы, связанные с экологическими последствиями, обусловленными воздействием породных отвалов угольных шахт горнопромышленных регионов.

Проекты проведения работ по экологической реабилитации нарушенных территорий, предусмотренные проектами ликвидации шахт и обеспечивающие приведение территорий промышленных площадок ликвидируемых шахт в экологически безопасное состояние, как правило, не содержат действенных технических мероприятий по локализации воздействия отвалов на окружающую среду. В лучшем случае все сводится к мониторингу этих воздействий. Однако существующие методы оценки воздействия отвалов шахт на окружающую среду требуют более глубокого научного обоснование для реализации эффективных алгоритмов экологического мониторинга.

Балансовые запасы угля Кузбасса, подсчитанные в основном до глубины 600 м, составляют 110,8 млрд т, из них разведанные по сумме категорий А+В+С1 - около 67 млрд т, предварительно оцененные (категория С2) - 44,0 млрд т. По запасам коксующихся углей Кузнецкий угольный бассейн - самый крупный в СНГ. На долю коксующихся углей приходится 42,8 млрд т, из них дефицитных марок Ж, К, ОС - 25,4 млрд т. Практический интерес представляют и угольные месторождения Восточного Донбасса и Печерского бассейна. Обоснование целесообразности доработки оставшихся запасов коксующихся углей на ликвидируемых шахтах Кузбасса, Печерского угольного бассейна и Восточного Донбасса необходимо осуществлять на основе многокритериальной оценки рентабельности добычи для оставшихся запасов углей ликвидируемых шахт и возникающей экологической нагрузки на окружающую среду.

Одними из основных источников воздействия на все составляющие окружающей среды являются породные отвалы угольных шахт. Для оценки воздействия техногенных массивов на атмосферу были исследованы угледобывающие предприятия ООО «Объединение «Прокопьевскуголь»: ООО «Шахта «Тырганская», ООО «Шахта «Зиминка», ООО «Шахта им.

Ворошилова», ООО «Шахта «Красногорская», расположенные в черте г. Прокопьевска и имеющие на территории горных отводов техногенные массивы.

Закрытие шахт на территории Кемеровской области создало и продолжает создавать экологические проблемы. Продолжается отрицательное воздействие отвалов и выработанных пространств на все составляющие окружающей среды и в настоящее время. Аналогичная ситуация в Подмосковном угольном бассейне. Так, в Тульской области добыто более 1 млрд 200 млн т угля. Суммарная площадь, в той или иной мере подверженная техногенному воздействию, связанному с разработкой месторождений угля, составляет около 12 % от общей территории области. А породные отвалы являются источниками воздействия на окружающую среду в течение многих десятилетий.

Результаты натурных наблюдений на территориях горнопромышленных районов Тульской области показали, что химически активные водорастворимые соединения, образующиеся при фильтрации атмосферных осадков через тело отвала, могут скапливаться в образовавшейся под ним глинистой непроницаемой мульде, а в периоды интенсивных атмосферных осадков и снеготаяния, переполняя эту линзу, попадать в окружающие отвал почвы и распространяться с грунтовыми водами.

Вертикальная миграция загрязнителя в почву и далее в подстилающие породы удовлетворительно описывается одномерным уравнением конвективной диффузии с учетом кинетики сорбции загрязнителя твердой фазой почв и подстилающих и пород. В данном случае целесообразно рассматривать полубесконечное пространство. Уравнение миграции загрязнителя имеет следующий вид:

Кс, (1)

Э с Э с _

где c(z,t) - концентрация загрязнителя в горных породах; w - средняя скорость фильтрации почвенного раствора; Ds - коэффициент диффузии; К -константа скорости сорбции загрязнителя горными породами. Начальные и граничные условия имеют вид

c(z,0) = с0 = const, с(0,?)-съ = const, limc^oo; (2)

Z—X»

с(z,t) = с0 exp(-Kt) + 0,5exp(0,5ocz)lcb exp(-VAB)erfc(о,5л/а77 - V§7) +

+exp(VAB )erfc(0,5VA77 + Vb7)

xerfc [о, 5л/а77 - yj(B-K)

- c0 exi

exp

+ exp

^A(B-K)]x

x

xerfc

0,5yfAJt + y](B -K)t ^

(3)

где А и В - обобщенные параметры диффузии и сорбции загрязнителя.

Вычислительные эксперименты показали, что миграция токсичных компонентов жидких стоков с поверхности отвала приводит к интенсивному загрязнению почвы и подстилающих пород. При этом профиль концентрации имеет волнообразный характер с точкой максимума, обусловленной в данный момент времени в конкретной точке рассматриваемого пространства равенством скоростей процессов конвективно-диффузионного переноса и сорбции.

Помимо загрязнения прилегающих территорий кислотными стоками, для породных отвалов характерно значительное выделение в атмосферу пыли и газовых загрязнителей, которые в сухую ветреную погоду сдуваются с поверхности отвала и уносятся на значительные расстояния, загрязняя атмосферу и поверхностный почвенный слой. Таким образом, моделирование движения воздуха при обтекании породных отвалов действующих и ликвидированных угольных шахт становится одним из основных методов анализа качества предлагаемых экологических решений по защите окружающей. Доказано, что моделирование аэрогазодинамических процессов при обтекании породных отвалов основывается в общем случае на системе уравнений, описывающей течение вязкого, сжимаемого теплопроводного газа в трехмерной постановке:

Эр

+

Эх,

(ри, ) = О

(4)

I (ри) +

Эх,

/ * * \ (рии)

эр

Эх

+ &„. +

э

Эх,

Эй Эы7

+

Эх Эх

2 Эи1

3 Эх,

5,

2

3 р5,к

(5)

I (р*)

Э

Эх

и

ЭР Э

Эt

+

Эх]

(ри*)

Э

Эх,.

1

эт т эк

Эх]

+ ^+

т

ейй

Эи Эи,

• + ■ Эх Эх

2

Эи, „ 2 „

- 3тей эи:- 3р5*к

+т

_Эк Эх

м^=т+т t,

7 1 * * Н = к +— и и + к,

2 ] 1

(6)

(7)

(8)

где р - плотность воздуха; и - компоненты средней скорости воздуха (/ = 1, 2, 3); ? и х)■ - время и пространственные координаты соответственно; и* - пульсационные скорости ^ = 1, 2, 3); р и £ - статическое давление воз-

духа и энтропия; |Heff, |i, (it - эффективная, динамическая и турбулентная вязкость; 5у и к - дельта Кронекера и кинетическая энергия турбулентности; Huh - полная и статическая энтальпия.

Для решения уравнений (4) - (8) использован стандартный подход метода конечных элементов с использованием функции формы конечного элемента. Результаты вычислительного эксперимента приведены на рис. 1.

Экспериментальные данные об интенсивности уноса пыли различного дисперсного состава и влажности при постоянном и пульсирующем потоке воздуха свидетельствуют о том, что она резко возрастает при скорости воздуха, превышающей 5 м/с.

Рис. 1. Обтекание отвала высотой 30 м> ветер восточный 10 м/с

В общем случае необходимо учитывать осаждение пыли в процессе переноса ее воздушным потоком (рис. 2). Математическая модель конвек-тивно-турбулентного диффузионного переноса пыли в приземном слое атмосферы зоны действия породного отвала с учетом седиментации получена в следующем виде:

c„(x,i) = 0,5c„ ехр

^0,5и Л

v A, ,

ехр

-0,5

и1 4 kw0

v , A, A ,

X

xerfc

0,5х

Та/

0,25

( 2 и

va

+ 4/сн'

+ ехр

0,5

I"2 4 Ь>, 1

J—о' X X

11 ^ A, J

xerfc

0,5х

0,25

и

vA

+ 4/сн'

(9)

где сп - концентрация пыли в воздушном потоке; и - средняя скорость воздуха с подветренной стороны отвала; Д7 - коэффициент турбулентной диффузии пыли в приземном слое атмосферы; к - коэффициент седиментации; - скорость витания пыли в воздухе.

Натурные наблюдения показали, что поверхность породного отвала также является источником выбросов газовых загрязнителей в приземный слой атмосферы. Математическая модель конвективно-турбулентного диффузионного газового загрязнителя в приземном слое атмосферы зоны действия породного отвала имеет следующий вид:

сгл (*,*) = О^ехр

0,5и

А

+ехр

0,5

V ^г.п У

и

ехр

-0,5

г \2 и

К^г.п У

ег&

0,5

х

■и

г

Д.

+

V ^г.п У

ейс

0,5

х

V

+ 11

Б

г.п

(10)

где сгл и сх - концентрация газового загрязнителя в воздушном потоке и его начальное значение; Д7 - коэффициент турбулентной диффузии загрязнителя в приземном слое .

Сп(хД)

0.8

0.6

0.4

0.2

2 5

3 I 4 \

100

200

300

X, М

Рис. 2. Распределение пыли в воздушном потоке, обтекающем отвал:

1-3; 2- 5; 3-7; 4- 9; 5-16

Наблюдения свидетельствуют о том, что газовые загрязнители могут распространяться на значительные расстояния. Анализ результатов вычислительного эксперимента показал, что в процессе переноса газового загрязнителя его концентрация меняется незначительно в течение периода действия ветра. При этом интенсивность выведения газового загрязнителя из воздушного потока будет происходить, в основном, за счет сорбции

48

жидкими и твердыми частицами. В зависимости от скорости ветра и длительности его действия газообразные загрязнители могут распространяться на значительные расстояния от породного отвала. Этот факт также подтверждается и результатами натурных наблюдений.

Обобщение результатов экспериментальных и теоретических исследований позволило усовершенствовать систему оценки воздействия породных отвалов на окружающую среду. Структурно-функциональная схема оценки экологических последствий воздействия отвалов представлена на рис. 3.

Рис. 3. Структурно-функциональная схема оценки экологических последствий воздействия отвалов на окружающую среду

Характерные особенности условий разработки месторождений полезных ископаемых открытым способом в Подмосковном бассейне определили выбор схем вскрытия, системы разработки и оборудования. Анализ технических решений показал, что на данном этапе целесообразно использовать технологию, в соответствии с которой породные отвалы угольных шахт следует размещать в выработанных пространствах известняковых карьеров. Усовершенствованная технологическая схема рекультивации горных отводов известняковых карьеров Подмосковного угольного бассейна с использованием отвалов ликвидированных угольных шахт предусматривает использование остаточных запасов угля как источника энергии. В Тульском государственном университете разработан способ подземной газификации тонких и средней мощности пластов бурого угля с целью получения электрической энергии. В данном случае эта электроэнергия используется при разработке породных отвалов ликвидированных шахт.

_Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2016. Вып. 1_

Предлагаемая технология подземной газификации заключается в том, что в известном способе подземной газификации угольного пласта, включающем осушение угольного пласта, нагнетание в реакционный канал окислителя (дутья) по вертикальным скважинам, отсос из него продуктов газификации (энергетического газа) через газоотводящие скважины и минимизацию давления в реакционном канале, дополнительно бурят две вертикальные скважины до почвы угольного пласта и соединенные с ними две горизонтальные продуктивные скважины длиной 100.. .140 м на границах отрабатываемого участка газифицируемого угольного пласта на расстоянии 50.60 м друг от друга. Затем бурят также нагнетательные скважины по центру данного участка пласта с шагом 15.20 м, при этом вертикальные продуктивные скважины и первую нагнетательную скважину, через которую осуществляют розжиг угля, располагают на одной оси, перпендикулярной линии простирания угольного пласта, горизонтальные продуктивные скважины обсаживают перфорированными трубами. В качестве окислителя используют атмосферный воздух с добавкой парокислородной смеси в количестве 20000.50000 м /ч, поддерживая температуру огневого забоя на уровне

550.700 ОС, а управляют огневым забоем последовательным переключением на нагнетательную скважину, к которой подходит огневой забой, а также путем изменения количества нагнетаемого окислителя.

Список литературы

1. Качурин Н.М., Ефимов В.И., Воробьев С.А. Методика прогнозирования экологических последствий подземной добычи угля в России // Горный журнал. 2014. №9. С. 138-142.

2. Scientific and practical results of monitoring of anthropogenic influence on mining-industrial territories environment /N.M. Kachurin, S.A.Vorobev, T.V. Korchagina, R.V. Sidorov // Eurasian Mining. 2014. №2. P. 44-48.

3. Перспективы экологически безопасного использования отходов производства на территориях горнодобывающих регионов / Н.М. Качурин, В.И. Ефимов, В.В. Факторович, Е.К. Мосина // Безопасность труда в промышленности. 2014. № 9. С. 81-84.

4. Экологические последствия закрытия угольных шахт Кузбасса по газодинамическому фактору и опасности эндогенных пожаров на отвалах / Н.М. Качурин, С. А. Воробьев, Я.В. Чистяков, Л. Л. Рыбак // Экология и промышленность России. 2015. №4. С. 54-58.

5. Оценка предельно допустимых пылегазовых выбросов горных предприятий в атмосферу / Н.М. Качурин, Л. Л. Рыбак, В.И. Ефимов, С. А Воробьев. // Безопасность труда в промышленности. №3. 2015, С. 36-39.

6. Kachurin Nikolai, ^mashchenko Vitaly, Morkun Vladimir. Environmental monitoring atmosphere of mining territories // Metallurgical and Mining Industry. 2015. No 6. P. 595-598.

7. Проблемы экологической безопасности освоения месторождений при подземной добыче угля / Н.М. Качурин, А.П. Саломатин, Л.Л. Рыбак, В. Л. Рыбак // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2012. Вып. 2. С. 17-31.

8. Kachurin Nikolai M., Vorobev Sergei A., Bogdanov Sergei M. Evaluating Polluting Atmosphere be Mining Enterprises and Optimizing Prophylactic Measures Resources // 5th International Symposium. Mining and Environmental Protection. Vrdnik. Serbia, 2015. P. 135-140.

9. Качурин Н.М., Воробьев С.А., Саламатин А.П. Концепция комплексного освоения минеральных ресурсов Подмосковного угольного бассейна // Международная научно-практическая конференция, посвященная 110-летию горного факультета «Горное дело в XXI веке: технологии, наука, образование». С.-Петербург: НИУ «Горный», 2015. С. 49.

10. Концептуальные положения мониторинга параметров окружающей среды при добыче полезных ископаемых / Н.М. Качурин, В.В. Факторович, Л.Л. Рыбак, В. Л. Рыбак // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2013. Вып. 1. С. 3 - 14.

11. Эколого-экономическая оценка эффективности проектов добычи и переработки полезных ископаемых / Н.М. Качурин, Е.И. Зоркин, Л.Л. Рыбак, Ю.Ю. Дианов // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2013. Вып. 1. С. 177 - 187.

12. Качурин Н.М., Рыбак Л. Л., Рыбак В. Л. Эколого-экономическая оценка и мониторинг последствий подземной добычи угля // Экономика XXI века: инновации, инвестиции, образование. 2013. №1. С. 54 - 60.

13. Обращение с отходами производства и потребления на территориях угледобывающих регионов / Э.М. Соколов, Н.М. Качурин, Л.Л. Рыбак, В. Л. Рыбак //Экономика XXI века: инновации, инвестиции, образование. 2013. №2. С. 50 - 57.

14. Патент РФ №2522785. Способ подземной газификации тонких и средней мощности пластов бурого угля / Н.М. Качурин [и др.]. Опубл. 20.07.2014. Бюл. №20.

Лёвкин Николай Дмитриевич, д-р техн. наук, доц., зав. кафедрой, ec-mon@mail.ru, Россия, Тула, ГОУ«Учебно-методический центр по гражданской обороне и чрезвычайным ситуациям Тульской области»,

Калаева Сахиба Зияддин кзы, канд. техн. наук, доц., volodinni@)ystu.ru, Россия, Ярославль, Ярославский государственный технический университет,

Рыбак Владимир Львович, асп., ecology@tsu.tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

_Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2016. Вып. 1_

Богданов Сергей Маратович, асп., ecology@tsu.tula.ru „ Россия, Тула, Тульский государственный университет

METHODICAL PRINCIPALS OF COMPLEX EVALUATING MINES WASTE DUMPS INFLUENCE UPON ENVIRONMENT

N.D. Levkin, S.Z. Kalaeva, V.L. Ribak, S.M. Bogdanov

Regularities of influencing coal mines waste dumps upon environment during mines exploitation and after their liquidation were specified. Methodical approaches to complex environmental evaluation of influencing coal mines waste dumps were improved. It's shown that efficient approach is based at the adequate mathematical of wind flowing around dumps and convective-diffusion transfer of dust-gas admixtures in the operating zone of the dumps.

Key words: waste dump, influencing, environment, air flow, diffusion, dust, gas pollutant, mathematical model, evaluating environmental consequences, calculated experiment.

Lyevkin Nikolai Dmitrievich, doctor of technical sciences, docent, Head of Chair, ecmon@mail.ru, Russia, Tula, State Educational Institution "Learning and Teaching Centre of Civil Defense and Emergency Situations of Tula region",

Kalaeva Sahiba Ziydin Kzi, candidate of technical sciences, docent, volodin-ni@)ystu.ru, Russia, Yaroslavl, Yaroslavl State Technical University,

Ribak Vladimir Lvovoch, postgraduate, ecology@tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Bogdanov Sergei Maratovich, postgraduate, ecology @,tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University