Переработка твердых отходов добычи и обогащения Уг ля Печорского бассейна как мера защиты природной среды Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

© Ю.В. Шувалов, Т.И. Нифонтова, В.И. Экгарлт, 2003

УЛК 658.567.1

Ю.В. Шувалов, Т.И. Нифонтова, В.И. Экгарлт

ПЕРЕРАБОТКА ТВЕРЛЫХ ОТХОЛОВ ЛОБЫЧИ И ОБОГАЩЕНИЯ УГЛЯ ПЕЧОРСКОГО БАССЕЙНА КА К МЕРА ЗАШИТЫ ПРИРОЛНОЙ СРЕЛЫ

Ухудшение качества добываемого угля (повышение зольности, засорение

вмещающими породами) обусловливает устойчивую тенденцию к увеличению объемов твердых отходов при обогащении углей. Ежегодный их прирост на угледобывающих предприятиях Печорского бассейна достигает 300 и более тыс. т. Твердые отходы добычи и обогащения каменных углей месторождений Печорского бассейна представлены отвальными массами и тонкодисперсными отходами обогащения - влажными каменноугольными шламами.

Существующие хранилища отходов углеобогащения оказывают негативное влияние на окружающую природную среду, так как отходы характеризуются повышенным содержанием некоторых вредных и опасных элементов (N1, V, Мп, Б, Си и др.), что при эрозии ведет к образованию токсичных потоков, которые увеличивают общее техногенное геохимическое загрязнение среды.

Отвальные массы. Они являются одним из основных источников загрязнения окружающей природной среды Вор-кутского и Интинского геолого-промыш-ленных районов. Известно, что вредное влияние отвалов на литосферу, гидросферу и атмосферу заключается в нарушении плодородного слоя почв, загрязнении их токсичными элементами, запыле-нии и загрязнении ядовитыми газами при горении отвалов, загрязнении поверхностных и подземных вод, угнетающем влиянии на животный и растительный мир. Отвальные массы формируются из вмещающих горных пород и, в основном,

представлены аргиллитами углистыми и слабоуглистыми, аргиллитами слоистыми с алевролитом и реже крупнозернистыми песчаниками, углем. В минеральном составе преобладают каолинит, монтмориллонит, кварц, среди минералов-примесей (менее 5 %) - гидрослюды, кальцит, пирит, полевые шпаты.

Независимо от типов отвалов, складирование отвальных масс вызывает резкое ускорение миграции элементов в лито-и биосферах. Подобные техногенные процессы приводят как к рассеиванию химических элементов, так и к их концентрации с образованием "положительных техногенных аномалий", в результате чего возможно появление новых химических соединений, не имеющих природных аналогов, исчезновение живых организмов и некоторых видов растений на прилегающей территории тундры и лесотундры. Самыми уязвимыми в этом отношении являются лишайники и некоторые виды водорослей [1]. Известно также, что при складировании отвальных масс происходит образование нового рельефа, не характерного для условий тундры, что влечет за собой нарушение растительного покрова вплоть до его уничтожения и образование вторичных антропогенных ценозов. Это явление наблюдается в радиусе полутора - двух километров вокруг породных отвалов. Строительство подъездных дорог для транспортирования отвальных масс в отвалы также вызывает техногенную эрозию значительных площадей тундры.

При нарушении естественного тундрового покрова пород-

ными отвалами и подъездными путями к ним изменяется температурный режим грунтов (среднегодовые температуры поверхности грунта увеличиваются на 0,9-3,3 оС), что приводит к увеличению глубины сезонного протаивания на 0,10,4 м. При образовании участков самонагревания в отвалах эти процессы еще более усугубляются. Таким образом, отвалы становятся реально опасными для самовозгорания и сброса в атмосферу, почву и водоемы вредных веществ.

Все промышленные ландшафты по комплексу элементов-загрязнителей резко отличаются друг от друга. Кроме того, отнесение того или иного элемента к группе "полезных" или "вредных" весьма условно, так как для каждого есть определенные границы содержаний, за пределами которых "полезный" элемент превращается во "вредный", ядовитый. Многими исследованиями (Миронов К.В., Лебедев В.В., Рубан В.А., Шпирт М.Я., Евсеев А.В., Вильчек Г.Е.) установлено, что от терриконов и отвалов, вскрытых пород месторождений угля, образуются аномалии тяжелых металлов в почвах на расстоянии до 300 км. Установлены отличия между промышленными ландшафтами и по форме нахождения элементов-загрязнителей. При складировании отвальных масс на угольных месторождениях происходит, в основном, механическая миграция элементов и химических веществ в форме самостоятельных минеральных видов без существенного преобразования форм их нахождения. Миграция элементов химических веществ в по-дотвальных почвах во многом зависит от качественного состава почв, окислительновосстановительной обстановки, щелочно-кислотных условий, и набора определенных топо-морфных элементов.

Сравнение данных по Печорскому бассейну с мировыми угольными кларками (Золотова В.В.) выявило группу элементов, обогащающих печорские угли: барий, скандий, титан,

цирконий, гафний, ниобий, хром, никель. Также отмечаются вышекларковые накопления редких щелочей, стронция и бария (в 2-4 раза), галлия, иногда ванадия, хлора и брома. Токсичные компоненты содержаться в количествах значительно ниже ПДК. То есть, содержание "малых элементов", в том числе токсичных, в товарной продукции углепредприятий умеренное.

Выполнено опробование породных отвалов на терриконах шахт "Воркутинская" и "Ворга-шорская". Терриконы занимают огромные площади и характеризуются разнородностью состава на разных участках из-за порционного поступления пород в отвалы. На большей части отвалов наблюдаются не горелые породы черного цвета, представленные смесью обломков различного состава: аргиллита, алевролита, песчаника, аргиллита обожженного, угля, углисто-глинистой мелочи. Размер обломков колеблется от долей мм до 1 м. Часто присутствуют техногенные примеси: металлолом, древесина, ветошь и т.п. Горелые породы встречаются в виде останцев или прослоев, имеют подчиненное значение, основная их часть используется для отсыпки дорог. По своему составу они также неоднородны, как и не горелые породы, отличаются красновато-коричневым цветом. На породном отвале ш. "Воргашорской" преобладают черные негорелые породы. Г орелые породы имеются в небольшом количестве. В верхней части одного из останцев горелых пород высотой до 3-3,5 м отмечен прослой белесого цвета с голубоватым оттенком, мощностью до 5 см, из которого отобрана бороздовая проба. Пробы из породных отвалов шахты "Воркутинская" характеризуются умеренным содержанием "элементов-примесей", за исключением марганца (до 1500

г/т). В пробах из породных отвалов шахты "Воргашорская" установлено повышенное содержание сурьмы и полиметаллов, в том числе (в г/т горной массы): в горелых породах -меди 1500, цинка - 1000, сурьмы - 1000, свинца - 70; в линзовидном прослое мощностью 0,05 м в горелых породах - меди - 7000, цинка - 15000, сурьмы - 10000, свинца -500; в негорелых породах - цинка 300, сурьмы - 200, свинца - 30. Горелая и негорелая породы отвала ш. "Воркутинская" опробованы на значительном удалении друг от друга. Тем не менее, во всех пробах отмечаются аномальные содержания одного и того же комплекса элементов, содержание которого достигает максимума в прослое (табл. 1). Хотя масса прослоя в объеме отвала невелика, значительным может оказаться влияние на вмещающие породы и экологию среды.

Содержание указанных элементов выше, чем в породах шахты "Воркутинской", в негорелых породах - в 3-10 раз, в горелых - в 7-20 раз. Сурьма ранее не отмечалась ни в одном из видов проб. Природа выявленной аномалии не ясна, не исключено, что она имеет техногенное происхождение.

В основном, в отходах обогащения перечень малых элементов тот же, что и для товарной продукции. Но при этом наблюдаются более высокие по сравнению с товарной продукцией содержания потенциально токсичных элементов, которые в отдельных пробах достигают, а иногда превышают ПДК, в том числе хром, цинк, ванадий, марганец. Содержание ртути в отходах значительно выше и иногда приближаются к ПДК (шахта "Октябрьская"). Отмечается более высокие содержания галлия (до 20 г/т горной массы) и скандия (18-30 г/т).

Исследованиями также установлено, что наряду с элементами-примесями в отвальных массах содержится значительное количество угля. Содержание последнего в некоторых "старых" отвалах Воркутского геолого-промышленного района достигает 15-16 %, например, отвал шахты "Октябрьской", где по официальным данным скопилось до 600-700 тыс. т. угля. Такое содержание угля позволяет квалифицировать эти отвалы как антропогенные месторождения [2].

Органическая масса отвалов при контакте с кислородом воздуха и парами воды подвергается интенсивному окислению. Это приводит при благоприятных условиях к образованию в каменных углях гуминовых кислот, снижению теплоты сгорания, повышению зольности, и, как следствие, снижению температуры воспламенения угля.

Каменноугольные шламы -твердые отходы обогащения углей складируются на открытом воздухе в наружных шламона-копителях. Тонкодисперсная мелочь, хранящаяся на открытом воздухе продолжительное время, при экзогенных процессах (выветривании, дефляции) попадает в окружающую среду: в бассейны близлежащих рек, атмосферу и почву. Эти процессы увеличивают экологическую напряженность в северном регионе.

Исследованиями установлено [3], что содержания малых элементов в шламах и отсевах углей шахт Воркутского месторождения очень близки по своим значениям, в отсевах Ворга-шорского и шламах Юнь-Ягинского месторождений имеется ряд отличий (табл. 2). Содержание малых элементов в шламах интинских углей аналогично содержанию в товарных углях. При этом, по ряду малых элементов, содержащихся в угольной мелочи, отмечается превышение

кларковых значений содержания (для осадочных пород): никель, ванадий, хром, галлий, медь, иттрий, марганец,

Таблица 1

СОЛЕРЖАНИЯ РЯЛА "МАЛЫХ ЭЛЕМЕНТОВ" В ПОРОААХ ОТВАЛА ШАХТЫ "ВОРГАШОРСКАЯ" /Г/Т ПОРОЛЫ/

Характеристика породы Медь Цинк Серебро Олово Сурьма Свинец

Не горелая порода 70 300 0,10 5 200 30

Горелая порода 1500 1000 0,05 7 1000 70

Прослой 7000 15000 0,20 20 10000 500

Таблица 2

СОЛЕРЖАНИЕ МАЛЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В УГОЛЬНОЙ МЕЛОЧИ ВОРКУТСКОГО ГПР

Наименование малого элемента Содержание элемента в шламах и отсевах шахт, в г/т

"Воркутинская" "Северная" "Центральная"* "Юнь-Яга" * "Воргашорская"

Никель (N1) 225 150 230 130 400

Кобальт (СО) 38 2 32 14 36

Титан (Т1) 3000 3000 1800 1200 2000

Ванадий (V) 470 180 320 200 420

Хром (Сг) 250 160 250 190 500

Молибден (Мо) 24 20 15 10 13

Галлий (Оа) 10 10 10 М 10 10,9

Медь (Си) 150 80 110 80 120

Свинец(РЬ) 38 16 45 14 7

Серебро (Ад) - 2 г/т - - -

Цинк (7п) 15 9 11 10 Не определен

Олово(Бп) 4 4 4 2 3

Бериллий(Ве) 2,7 8 3 13 5

Иттербий(УЬ) 4,4 7 5 1,3 5

Иттрий(У) 44 70 50 13 50

Скандий (Бс) 15 5 15 12 7

Марганец (Мп) 1100 800 850 170 1400

Цирконий (7г) 230 300 230 110 150

Стронций (Бг) Б50 Б50 Б50 17 Б50

Барий (Ва) 2000 1000 1400 1000 2000

Вольфрам ^) - М 1 - - Не определен

Ниобий (№) 1,5 М 1 1 - 1.5

Мышьяк (Аб) 25 30 20 20 Не определен

Германий (Ое) 6,6 8 9 4 22

Висмут (В1) - - - - 0,75

Лантан(Ьа) - - - - 10

цирконий, стронций, барий, ниобий. Содержание малого элемента германия в шламах шахт Воркутского ГПР превышает нижний предел для детального исследования (3 г/т) для коксующихся углей.

Для Воргашорского месторождения (ш. «Воргашорская») характерно значительное превышение над угольной мелочью Воркутского месторождения содержания следующих малых элементов: галлий, никель, иттрий, цирконий, стронций, ниобий, лантан.

Оба месторождения Воркутского ГПР отличаются низким (значительно ниже ПДК) содержанием токсичного элемента мышьяка. Исследованиями каменноугольной мелочи Интин-ского ГПР установлено превышение над кларковыми содержания малых элементов: никель, ванадий, марганец. При чем значения

содержания этих элементов в углях Интинского ГПР не превышают средних значений по Воркут-скому ГПР. Превышения ПДК токсичными элементами (в том числе мышьяком) не установлено.

В то же время по своим качественным характеристикам шла-мы не уступают добываемым углям: А<1 -15,8-41, 7 % , Vdaf - 25,5-

40,8 %, Б^, -0,51-2,9 %, О" -

30048-35504 кДж/кг, Ог1 - 1504926335 кДж/кг, что объясняется обогащением наиболее тонких классов углей [3] наиболее хрупким микрокомпонентом - витри-нитом, преобладающим в составе углей Печорского бассейна. Как правило, шламы имеют естественную влажность 20-50 %, и представлены фракцией 0-0,5 мм (Воркута) и 0-3,0 мм (Инта).

Исследование качественных показателей каменноугольной мелочи Печорского каменноугольного бассейна проводилось

методами аналитической химии, петрографическим и методом полного полуколичественного спектрального анализа. При этом определялись химико-техноло-

гические свойства гранулометрический и петрографический состав каменноугольной мелочи, а также химический состав золы. Угольные шламы Воркутского геолого-промышленного района значительно отличаются по своим качественным характеристикам от шламов Интинского района (Табл.5). В них значительно меньше, чем в интинских шламах содержится общей серы и негорючего вещества (ш. "Северная" -

15,8 %), они характеризуются большей степенью метаморфизма.

Содержание летучих веществ у воркутинских шламов в среднем на 7-8 % ниже, чем у интинских. Они однородны по фракционному составу, особенно шламы шахт "Северной" и "Комсомоль-

ской", хотя и имеют несколько большее содержание рабочей влаги. В то же время у интинских шламов наблюдается повышение зольности с уменьшением класса частиц от 0,5 мм до 0,1 и менее до значительных величин.

Это является существенным технологическим осложнением для дальнейшей переработки шламов (брикетирования, гранулирования и т.д.), так как выделение высокозольной тонкой фракции 0,1 мм и менее из шламов, находящихся в наружных шламонакопителях трудноосуществимо. Все это обусловливает различие в подходе к вопросу утилизации угольных шламов каждого из районов.

По показателям качества (теплота сгорания, зольность, гранулометрический состав и др.) и минеральному составу воркутин-ские шламы относятся к категории перспективных для производства полноценного бытового топлива методом брикетирования. При этом по содержанию золы и объемам ресурсов для отработки технологии брикетирования и дальнейшей реализации брикетов на внутреннем и внешнем рынках сбыта предпочтение

отдается угольным шламам шахты "Северной". Как уже говорилось выше, эти шламы содержат летучих веществ около 27 %. Такое содержание летучих отвечает самым жестким требованиям к бытовому топливу по дымности.

Переработка шламов Интин-ского промышленного района в брикетное топливо менее целесообразна, так как для этого требуется использование более сложных технологий, например, битумной с целью увеличения калорийности топлива и дополнительной подготовки сырья (до-обогащение с выделением класса < 0,1 мм). Возможно также применение технологий окускования без использования связующих материалов при производстве бытового топлива для местного потребления без дальних перевозок и дополнительных перегрузок. Достоверную оценку целесообразности утилизации шламов способом брикетирования, очевидно, можно будет выполнить только после проведения реконструкции обогатительных фабрик ОАО "Интауголь" и снижения при этом уровня зольности в отсевах до 25-28 % и содержания общей серы до 1 %.

Оценка шламов углей Печорского угольного бассейна как сырья для получения редких металлов возможна после проведения полного комплекса исследований с проведением количественного спектрального и точного аналитического анализов. При этом, очевидно, будет целесообразным изучение вопроса брикетирования шламов с попутным извлечением не одного, а целого комплекса редких металлов.

Таким образом, эффективная утилизация отходов добычи и обогащения угля может быть достигнута только при многоцелевом использовании их в качестве сырья для различных отраслей хозяйства в рамках существующего территориально-промышленного комплекса. При этом, многоцелевой подход при утилизации отходов углеобогащения предполагает реализацию не только наиболее эффективных направлений их переработки, но и использование отходов в экономически менее оправданных направлениях, позволяющих, однако, увеличить объем использования углеотходов и снизить экологическую нагрузку в регионе.

1. Гецен М.В., Пермпнова Г.Н. Изменение состава водорослевых группировок биогеоценозов тундры в связи с ее освоением // Географические аспекты охраны флоры и фауны на Северо-Востоке европейской части СССР. -Сыктывкар, 1977. 4 С.

2. Нифонтова Т.И. К вопросу о возможности извлечения угля из породных отвалов// Народное хозяйство Республики Коми, № 3, т. 7, Сыктывкар - Воркута - Ухта, 1998 г., С. 496-499.

------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

3. Золотова В.В. Ревизионно-опробовательские работы на малые элементы в товарной продукции угледобывающих предприятий по Печорскому бассейну/ Отчет о НИР □ 10763, ГГП "Полярноуралгеология", Воркута, 1991.

4. Шувалов Ю.В, Нифонтов Ю.А., Бенин А.А. Технология и техника брикетирования углеродосодержащих веществ // Международное бюро по горной теплофизике. VIII пленарное заседание: Доклады/ Санкт-Петербургский горный ин-т. СПб. 2000. С. 90-94.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ --------------------------------------------------------------------------------

Шувалов Юрий Васильевич - заслуженный деятель науки РФ, действительный член РАЕН, АГН, доктор технических наук, профессор, декан Горного факультета и зав. кафедрой экологии, аэрологии и охраны труда СПГГИ (ТУ). Нифонтова Татьяна Ивановна - кандидат технических наук, ст. преподаватель кафедры экологии, аэрологии и охраны труда СПГГИ (ТУ).

Экгардт Виктор Иванович - кандидат технических наук, доцент, генеральный директор ОАО "Воркутауголь".

Файл: ШУВАЛОВ

Каталог: G:\По работе в универе\2003г\Папки 2003\GIAB7_03

Шаблон:

C:Шsers\Таня\AppData\RoammgYMlcmsoftYШаблоны\

Normal.dotm Заголовок: Шувалов Ю

Содержание:

Автор: Nifontov

Ключевые слова:

Заметки:

Дата создания: 10.06.2003 11:52:00

Число сохранений: 3

Дата сохранения: 10.06.2003 12:01:00 Сохранил: Гитис Л.Х.

Полное время правки: 8 мин.

Дата печати: 09.11.2008 0:08:00

При последней печати страниц: 4

слов: 2 582 (прибл.)

знаков: 14 720 (прибл.)