Снижение загрязнения окружающей среды отходами обогащения на шахтах Печорского бассейна тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.36, кандидат технических наук Нифонтова, Татьяна Ивановна

• Нифонтова, Татьяна Ивановна
• кандидат технических наук
• 2001

Оглавление диссертации кандидат технических наук Нифонтова, Татьяна Ивановна

Введение

1 Актуальность работы. Ежегодный прирост твердых отходов на угледобывающих предприятиях Печорского бассейна составляет около 3000 тыс. т. Значительную часть из них составляют каменноугольные шламы с размерами частиц от 0 до 0,5 мм и влажностью от 30 до 60 %. В наружных шламонакопителях, на угольных объектах вблизи городов Воркуты и Инты, в настоящее время, сосредоточено до 6000 тыс. т. влажных шламов. Под их размещение задействуются значительные площади, которые приходится ежегодно увеличивать за счет территории горного отвода.

Продолжительное хранение столь значительных объемов тонкодисперсной мелочи на открытом воздухе приводит к ее попаданию с паводковыми и ливневыми водами в бассейны близлежащих рек, а также к загрязнению атмосферы и почв. Угольные отходы содержат органические и минеральные вещества, характеризуются повышенным содержанием некоторых вредных и опасных элементов (N1, V, Мп, Си и др.), что при водной эрозии приводит к образованию фитотоксичных потоков, при дефляции - к аэротехногенному загрязнению, оказывающему негативное воздействие на биоту. Ингибирование основного компонента арктической флоры - лишайников, индикаторов обильного загрязнения воздуха, говорит о возрастающих суммарных техногенных нагрузках угольных шахт на окружающую среду.

С другой стороны, каменноугольные шламы Воркутского геолого-промышленного района по своим качественным характеристикам и минеральному составу не уступают добываемым углям и относятся к категории перспективных для использования в качестве полноценного бытового топлива. Шламы Интинского геолого-промышленного района можно рассматривать как энергетическое и органоминеральное сырье. Последнее - для производства строительных материалов и изделий керамзита, кирпича и т.д.)- Использование шламов, извлеченных из шламоотстойников и наружных шламонакопителей в естественном виде, а также перемещение их железнодорожным и автомобильным транспортом, затруднительно из-за высокой степени их обводненности. Для полноценной утилизации углеродсодержащих тонкодисперсных отходов обогащения необходимо обеспечить снижение содержания массовой доли влаги до 148 % уровня, который является оптимальным для брикетирования и транспортирования.

Теоретическими и экспериментальными исследованиями в области механического и термического обезвоживания тонких классов углей в разное время занимались В.В. Бобриков, Ю.Н. Бочков, Д.А. Каминский, В.П. Митенев, О.В. Михеев, А.Е. Молчанов, Б.П. Одиноков, Л.А. Пучков, Ю.В. Шувалов и другие исследователи.

Однако, в настоящее время, отсутствуют малозатратные технические решения по обезвоживанию влажного угольного сырья для дальнейшего использования, и именно это приводит к низкому оперативному уровню утилизации отходов. Поэтому возникла настоятельная необходимость в разработке минимально затратного и максимально эффективного способа обезвоживания каменноугольных шламов.

Цель работы. Снижение негативных воздействий на окружающую среду, и повышение эффективности практического использования тонкодисперсных отходов углеобогащения в результате утилизации угольной массы формованием за счет ее обработки модифицирующими добавками.

Идея работы. Получение продукта необходимой пластической прочности из тонкодисперсных шламов обеспечивается их вибрационным обезвоживанием с помощью мобильного модульного комплекса и обработкой измельченным серпентинитом.

Основные задачи работы:

- оценка экологического состояния окружающей природной среды Печорского угольного бассейна;

-обобщение материалов по концентрации, распределению и химическому составу атмосферной пыли, осажденной на снеговой покров и по содержанию тяжелых металлов в почвах на урбанизированных территориях;

-изучение видового состава и значений проективного покрытия лишайниками субстратов для выявления аэротехногенного загрязнения промышленных территорий;

- анализ качественного и количественного состояния отходов углеобогащения и методов их утилизации;

- изучение свойств тонкодисперсных угольных шламов и обоснование целесообразной влажности и пластической прочности для наиболее рационального их использования;

- анализ закономерностей процесса смачивания угольных частиц различных классов, физических процессов обезвоживания углей;

- исследование процесса "влагоудержания" (псевдоосушения) брикетной шихты с различным уровнем содержания массовой доли влаги до и после обработки модифицирующими добавками;

- определение эффективного объема модифицирующей добавки;

- разработка технологических и технических решений обезвоживания угольных шламов и снижения отрицательного влияния влажности на эффективность их утилизации.

Научная новизна:

- определена зависимость концентрации малых элементов от интенсивности пылевыпадения и расстояния до источника загрязнения;

- установлена количественная зависимость максимальной величины проективного покрытия лишайниками промышленных территорий от интенсивности пылевой нагрузки и суммарной концентрации малых элементов, содержащихся в воздухе;

- предложена закономерность изменения пластической прочности угольной шихты от объема введенной модифицирующей добавки.

Защищаемые положения:

Отходы обогащения каменных углей в отвалах, наружных шламонакопителях, золоотвалы и пылевые выбросы производственных предприятий содержат тонкодисперсные органические и минеральные вещества, а также токсичные элементы. Они формируют аэротехногенное загрязнение и образуют территориальные геохимические аномалии сложного состава, суммарная концентрация элементов в которых, зависит от интенсивности пылевыпадения, причем зона их ингибирующего воздействия на биоту в 400-500 раз превышает площадь самого источника загрязнения.

2. Оптимальный уровень содержания массовой доли влаги для утилизации тонкодисперсных углеродсодержащих отходов обогащения каменных углей формованием составляет 8-14%, что соответствует полусухому состоянию каменноугольной мелочи со значением пластической прочности Рт=8,0-12,0 КПа. Он может быть расширен до 20-28 % путем введения в шихту модифицирующей добавки - измельченного серпентинита класса 10+5 0x10"6мм.

3. Переработка влажных шламов и снижение техногенной нагрузки на окружающую природную среду достигается использованием комплекса виброобезвоживающего оборудования с последующей обработкой полученной массы влажностью 20-28 % модифицирующими добавками в объеме 0,2 % от массы шихты.

Методы исследований

Теоретической и методологической основой работы является комплексный подход к изучению экологического состояния природной среды, базирующийся на анализе и обзоре результатов фундаментальных исследований отечественных и зарубежных авторов. Для решения поставленных задач были использованы: аналитические, физико-химические, петрографические, экспериментальные методы исследований, натурные испытания и эксперименты в производственных условиях.

Практическая значимость работы:

- предложена экономичная и экологически безопасная технология обезвоживания высоко влажных угольных шламов, позволяющая в короткие сроки подготавливать угольную массу для дальнейшей утилизации;

-разработан эффективный метод направленного изменения состава и свойств угольных шламов для их последующей утилизации способом брикетирования; <

- разработана методика изменения структуры шихты за счет обработки угольных шламов тонкодисперсными природными минеральными добавками;

- разработаны технические решения по аппаратурному обеспечению технологического модульного комплекса по обезвоживанию брикетной шихты.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается положительными результатами испытания технологии и оборудования, результатами анализов качества конечной продукции с представительным количеством экспериментов (более 30) и проб (более 100), применением современных методов определения элементного состава, полного полуколичественного спектрального анализа, полного технического анализа и др.

Реализация результатов работы

Результаты исследований использованы при разработке рецептур и режимов обработки брикетной шихты для производства брикетов из шламов Воркутского и Интинского ГПР в целях их переработки в коммунально-бытовое топливо. Основные выводы и положения диссертации использованы в учебном процессе при чтении курса лекций по дисциплинам: "Геология угольных месторождений", "Экология", "Инженерная экология" и "Горное дело и окружающая среда".

Апробация работы

Экологические аспекты работы обсуждались на заседаниях Республиканского экологического центра по изучению и охране восточноевропейских тундр (Воркута, 2000 г.), на научных семинарах Воркутинского филиала Санкт-Петербургского государственного горного института, научно-практической конференции "Неделя Горняка" (Москва, 1999г.).

Технологические решения по применению модифицирующих добавок с целью направленного изменения структуры брикетной шихты испытаны на базе ООО "Эрион" (г. Гатчина) при проведении промышленных испытаний по брикетированию каменноугольной мелочи Воркутского и Интинского геолого-промышленных районов.

Личный вклад автора

Лично автором или при его непосредственном участии выполнено:

- постановка задачи исследований и их методическое обеспечение;

- организация и проведение инструментальных лабораторных исследований и постановка экспериментов;

- исследование состава и свойств отходов обогащения углей Воркутского геолого-промышленного района;

- обобщение результатов мониторинга окружающей среды;

- аналитическая оценка зависимостей между величиной проективного покрытия лишайниками промышленных территорий Воркутского геолого-промышленного района, интенсивностью пылевыпадения и расстоянием от объекта пылевыделения;

- аналитическая оценка взаимосвязи различных видов влаги угольной мелочи и ее пластической прочности до и после обработки активными модифицирующими добавками на состояние угольной мелочи с точки зрения пригодности последней для транспортирования и утилизации способом брикетирования;

- разработка технологической схемы процесса обезвоживания (удержания) влаги каменноугольных шламов.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ.

Работа выполнялась в Санкт-Петербургском государственном горном институте (техническом университете) им. Г.В. Плеханова. Программа исследований по теме диссертации предусматривалась планом НИР института, экологическими программами г. Воркуты и Республики Коми.

Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю, Заслуженному деятелю науки РФ, доктору технических наук, профессору Ю.В. Шувалову, за помощь и консультации в процессе проведения натурных исследований и лабораторных работ одному из своих учителей и коллеге, кандидату геолого-минералогических наук, доценту Ю.Н. Приходько, коллегам по кафедре, главному инженеру проекта ОАО "СПб Гипрошахт" Э.Я. Белостоцкому, д.б.н., директору Воркутинского ЭЦЕТ М.В. Гецен, к.т.н., доценту, директору института Печорниипроект М.И. Смирнову, сотрудникам института С.З. Ларионовой, Л.М. Коршуновой, а также В.В. Зуеву и Б.Н. Лукьянцу.

1. ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ ПЕЧОРСКОГО БАССЕЙНА

1.1. Орогидрографическая характеристика геолого-промышленных районов бассейна

Печорский угольный бассейн находится на территории Республики Коми и Ненецкого автономного округа Архангельской области. Его границами являются: на севере - побережье Печорского и Карского морей, на востоке - хребты Полярного и Приполярного Урала, на юге - верховье р. Косью, на западе граница условно проводится по меридиану 58°. Общая площадь бассейна в этих границах составляет около 100 тыс. км2. В его пределах разведано около 30 месторождений угля. Общие ресурсы углей до глубины 1500 м составляют 341 млрд. т, наибольшее промышленное значение имеют каменные угли [1]. Добыча угля Печорского бассейна ведется в двух reo лого-промышленных районах: Воркутском и Интинском.

Воркутский ГПР представляет собой наиболее разведанную и освоенную часть Печорского угольного бассейна. Территория является западной окраиной Уральской предгорной равнины с абсолютными отметками до 210-240 м над уровнем моря. Его границы в основном определяются контурами распределения пермских угленосных отложений и включают шесть угольных месторождений: разрабатываемые Воркутское и Воргашорское, разведанные Усинское, Сейдинское, Верхнероговское, отработанное Юньягинское. Воркутский район почти целиком расположен в Заполярье. Площадь района составляет около 26 тыс. км2. Основным орографическим элементом района являются водораздельные холмисто-грядовые возвышенности и обширные низины между ними, занятые плоско -бугристыми болотами (торфяниками). Водораздельные гряды и холмы характеризуются плоскими и слабовыпуклыми вершинами с длинными пологими склонами. Вниз по склонам вытянуты неширокие и неглубокие понижения - полосы поверхностного стока. Гидрографическая сеть представлена разветвленной системой рек и ручьев, относящихся к бассейну реки Печоры. Отметки ниже +100 м приурочены к долинам реки Усы и ее главных притоков - рек Роговой, Сейды, Воркуты, Кэчпель. Почти весь район находится в зоне тундры. Климат характеризуется следующими основными показателями: среднегодовая температура -6,0°С, абсолютные минимум -52,4°С и максимум +31,1°С; средняя относительная влажность 80%; среднегодовое количество атмосферных осадков 517 мм; количество дней со снежным покровом 244; с метелями 186. Максимальная скорость ветра в зимние периоды достигает 40, а в летние не превышает 24 м/с, средняя скорость ветра 5,5 м/с. Район расположен в зонах прерывистого и массивно-островного распространения многолетнемерзлых пород со средней мощностью 50-70 м, максимальная мощность не превышает 250 м. Температура пород несквозных и сквозных таликов изменяется от 0 до 3° С, а мерзлых пород - от 0 до минус 4° С [2].

Для водораздельных пространств Воркутинской тундры наиболее характерны два вида ландшафтов: первый - выпуклые вершины холмов с ерниково-мохово-лишайниковой или ерниково-багульниково-мохово-лишайниковой растительностью. Высота карликовой березки 30-40 см. Криогенный микрорельеф - пятнисто-бугорковый, обычно имеется многолетняя мерзлота в пределах 2 м, сливающаяся при промерзании почв с сезонной. Второй - выположенные вершины холмов и длинные пологие склоны с ерниково-моховой растительностью. Высота карликовой березки 60-70 см. Развиты бугры пучения, пятна вымораживания отсутствуют. Многолетняя мерзлота обычно залегает так глубоко, что сезонное промерзание не достигает ее (несливающаяся мерзлота), либо отсутствует вовсе (сквозной талик).

Воркутский ГПР в гидрогеологическом отношении расположен в пределах Косью-Роговского артезианского бассейна третьего порядка и наличие эксплуатационных ресурсов (разведано 117,0 тыс. м /сут.) позволяет перевести водоснабжение промышленного района полностью на подземные воды. В настоящее время водоснабжение города осуществляется в основном за счет водозабора из реки Усы и в меньшей степени за счет подземных вод артезианских скважин [2].

Промышленным, административным и культурным центром района является г. Воркута с шахтерскими поселками Октябрьским, Советским, Северным, Цементнозаводским, Воргашорским, Комсомольским, Заполярным и др. Население города с поселками составляет около 150 тыс. человек. С центром европейской части России город связывает железнодорожная магистраль Воркута - Котлас. Кроме того, город связан железнодорожной веткой с закрытым в настоящее время и находящимся на 70 км севернее, пос. Халмерью, а также с городом Лабытнанги на р. Обь через станцию Сейда. Сеть автомобильных дорог ограничивается городом и прилегающими к нему поселками. В зимнее время широко используется гусеничный и вездеходный транспорт. В летнее время его применение ограничено по экологическим соображениям [2].

Градообразующей отраслью города и района является угледобывающая. На сегодняшний день в городе находится 7 действующих шахт. На Воркутском месторождении: "Северная", "Аяч-Яга", "Комсомольская", "Заполярная", "Воркутинская", на Воргашорском: "Воргашорская" и "Октябрьская" шахты. Помимо угледобывающей промышленности в г. Воркуте создана база строительной индустрии: производство цемента, извести, деталей крупнопанельного домостроения, железобетонных конструкций. Работают механический и деревообрабатывающий заводы; теплоэлектроцентрали и местные котельные обеспечивают город электрической и тепловой энергией [2].

Интинский угленосный район в административном отношении подчинен Интинской администрации Республики Коми, а юго-западная его часть частично расположена на территориях Печорского и Усинского административных районов. На юго-востоке рассматриваемый район ограничен Уралом; на юго-западе - рекой У сой и ее притоками - Б. Сыней и

Б. Макарихой; на севере - Полярным кругом. Площадь этого условного треугольника составляет около 40 ООО км

В геоморфологическом отношении территория района представляет собой довольно плоскую, слабо расчлененную равнину Предуральского краевого прогиба с абсолютными отметками от 50 до 120 м, относящуюся к лесотундре. Примерно треть территории района покрыта низкорослым лесом (по берегам ручьев), часть площади занята мелкобугристой заболоченной тундрой с небольшими озерами. К бугристым торфяникам обычно приурочена многолетняя мерзлота, носящая в районе островной характер. Климат района субарктический. Среднегодовые показатели температуры: годовая -3°С, летних месяцев +12°С, зимних -15,5°С. Ледостав приходится на конец октября - начало ноября, вскрытие рек - на май.

Основной водной артерией является река Уса с притоками, наиболее крупный из них - река Косью.

На площади района расположен один город - Инта. С одноименной станцией Северной железной дороги (Котлас - Воркута) город связан железнодорожной веткой и заасфальтированной дорогой протяженностью 12 км. Других дорог с твердым покрытием нет. С судоходной рекой Косью город соединен грунтовой дорогой протяженностью 17 км, расположенной вдоль реки Б. Инта.

Ведущей отраслью в районе является угольная. На сегодняшний день разработку Интинского месторождения ведут 4 шахты: "Интинская", "Восточная", "Западная", "Капитальная", объединенных в концерн "Интауголь", куда входят также две групповые обогатительные фабрики (ГОФ "Капитальная" и ГОФ "Интинская"), РМЗ, ДОЗ, АТП, совхоз "Большая Инта" и ряд других предприятий. Энергоснабжение промышленных и бытовых предприятий города осуществляется за счет Интинской ТЭЦ, расположенной в черте города, и Печорской х ГРЭС, передающей электроэнергию по ЛЭП Печора - Инта. Водоснабжение города осуществляется за счет водозабора из реки Б. Инта, а также подземных вод артезианских скважин [3].

1.2. Основные загрязняющие факторы добычи и обогащения угля на предприятиях бассейна

Равновесное положение природной среды в условиях тундры весьма неустойчиво, и любое антропогенное воздействие на нее вызывает серьезные, часто необратимые изменения. Это объясняется ее специфическими особенностями: слабым развитием почвенно-растительного покрова, неустойчивым режимом поверхностных водотоков, наличием многолетнемерзлых грунтов, обладающих особыми свойствами и др.

Основу промышленности Воркутского и Интинского геолого-промышленных районов составляет разработка угольных месторождений подземным способом. Это вызывает неизбежные изменения окружающей среды, нарушаются полностью или частично сложившиеся экологические связи в зонах размещения промышленных объектов. При этом, проявляются следующие мощные факторы воздействия на природную среду: деформация углевмещающих пород и земной поверхности, образование отвалов пустых пород и отходов обогащения угля, истощение и загрязнение подземных и поверхностных вод водами шахтного водоотлива, затопление и заболачивание подработанных территорий, обезвоживание и засоление почв, загрязнение атмосферного воздуха при переработке и транспортировке угля, изъятие земельных площадей из народнохозяйственного оборота. Не менее сильное воздействие оказывают и другие факторы: работа ТЭЦ и местных котельных городов, транспорт, промышленное, гражданское и дорожное строительство.

Водные ресурсы. Основное загрязняющее действие на поверхностные водные объекты - реки Уса, Воркута, Юнь-Яга, Б. Инта, озера и подземные воды оказывают сточные воды шахт, цемзавода, ТЭЦ-1, ТЭЦ-2, являющиеся мощными источниками загрязнения, так как в них содержится большое количество взвешенных частиц, минеральных солей, в том числе солей тяжелых металлов, нерастворимых частиц органического происхождения, нефтепродуктов, и других вредных компонентов. *

Шахтные воды отличаются разнообразием свойств, которые зависят от горно-геологических и технологических факторов. К первым относятся водообильность шахты, крепость и влажность угля и пород, мощность и структура угольного пласта, вещественный состав угля, ко вторым - степень оснащения забоя механизмами, объемом взрывных и буровых работ, интенсивностью работы оросительных систем и т.д.

В Печорском бассейне распространены в основном пресные шахтные воды с минерализацией воды от 450 до 2500 мг/л, обладают умеренной жесткостью (3-6 мг-экв/л) с рН от 7 до 8,5. Органические загрязнения шахтных вод можно охарактеризовать бихроматной окисляемостью (ХПК), которая выражается количеством кислорода в миллиграммах, затрачиваемого на окисление этих веществ в 1 л воды в определенных условиях. Шахтные воды Печорского бассейна характеризуются повышенной окисляемостью (3,8-27 мг/л Ог) и тонкодисперсным состоянием взвешенных частиц до 80 %, которых имеют размер не более 10 мкм [4]. Из микроэлементов в шахтных водах распространены стронций, бериллий, селен, мышьяк, марганец, свинец, цинк, и др. Воды также характеризуются сульфатной агрессивностью (за счет окисления сульфидов пермских пород и выщелачивания гипса из рыхлых осадков) - более 800 мг/л [4]. К сточным водам шахт относятся и воды поверхностного стока с отвалов шахт и обогатительных фабрик, золоотвалов ТЭЦ, ЦБК, котельных, а также обычные канализационные стоки.

Один из основных ущербов, наносимых угледобычей, связан с истощением запасов пресных вод. За немногим более полувека шахтный водоотлив изъял из недр Воркутского района около 1,5 млрд. м3 подземных вод (в том числе 35 млн. м3 за 1996 г.), превратившихся в источник интенсивного загрязнения речных вод Воркуты, Сейды, Усы. Примерные нормативы ПДС и ПДК для сточных вод приведены в таблице 1.1.

Вследствие шахтного водоотлива сформировалась региональная воронка депрессии подземных вод площадью 320 км и глубиной до 200 м [5].

Таблица 1.

Примерные нормативы ПДС и ПДК для сточных вод

Загрязняющие вещества ПДС, мг/дм"5 ПДК, мг/дм

Взвешенные вещества 5-30

Нефтепродукты 0,05-0,3 0,05-0,

Фенолы 0,0005-0,01 0,

Железо 0,3-0,1 0,

Общее солесодержание

Сульфаты 100-500 100

Хлориды 60-350 300

Поверхностно-активные вещества 0,1-0,5 0,

Азот нитритов 0,01-0,04 0,

Азот нитратов 0,1рН (концентрация водородных ионов) 6,5-8,5 6,5-8,

По Интинскому геолого-промышленному району за 1993 год забрано из водных объектов всего 37213 тыс. м3, в том числе шахтных вод 20450 тыс. м3 (Табл. 1.2).

Воздушный бассейн. Наибольшее загрязняющее действие на воздушный бассейн в Воркутском геолого-промышленном районе оказывают ТЭЦ-1, ТЭЦ-2, ЦВК, цементный завод, 3 обогатительные фабрики (среди них ЦОФ "Печорская"), 3 сортировочные установки, 12 промышленных и 9 коммунальных котельных, механический завод, деревообрабатывающий завод, завод железобетонных изделий, два асфальтобетонных завода, горящие породные отвалы шахт, шламонакопители, локомотивный и автомобильный транспорт. В 1996 г. эти предприятия сбросили в атмосферу 360. тыс. тонн загрязняющих веществ, в том числе, газообразных -353 тыс. т, из них - более 97 % метана [5]. Перечень ПДК основных загрязняющих атмосферу веществ представлен в таблице 1.3.

Таблица 1.

Анализ изменения массы сброса загрязняющих веществ (Интинский геолого-промышленный район)

Показатели качества вод и наименования загрязняющих веществ (3В) пдс, т/год Масса сброса ЗВ, т/год Изменение массы сброса ЗВ, т/год Причина изменения массы сброса ЗВ предыдущий отчетный увеличение уменьшение

1992 г. 1993 г.

БПК полн. 88,9 53,9 82,9 29,0 Наличие сточных вод категории "без очистки"

Взвешенные вещества 216,6 165,1 205,7 40,6 Увеличение содержания в сточных шахтных водах

Нефтепродукты 1,48 8,5 14,0 5,5 Повышение концентраций нефтепрдуктов в сточной воде ст. Инта

Сухой остаток 20084,5 23231,9 24057,5 825,6 Изменение состава подаваемых на очистку шахтных вод

Сульфаты 2630,4 6865,4 7319,7 454,3 н

Хлориды 4006,8 3069,1 2966,7 129,4 Уменьшение содержания в сточных водах

Азот аммонийный 11,5 29,5 29,8 0,3 Увеличение концентрации в сточных водах

Азот нитритный 0,54 0,7 1.26 0,56 Наличие сточных вод категории "без очистки"

Азот нитратный 53,2 49,3 53,6 4.3 Увеличение концентрации в сточных водах

Железо 7,8 6,5 7,7 1,2 Изменение состава шахтных вод, подаваемых на очистку

Магний 572,9 566,7 6,2 Уменьшение содержания в сточных водах

Фосфор - 14,2 8,4 - 5,8 и

СПАВ 0,08 0,8 0,77 - 0,03 м

Медь 0,02 0,24 0,18 - 0,06 м

Фенолы 0,09 0,08 - - 0,01 II

Хром 0,1 0,2 0,1 > Изменение состава шахтных вод

Алюминий [ 0,09 15,0 6,4 8,5 - н

Таблица 1.

Предельно допустимые концентрации основных веществ^ вызывающих атмосферное загрязнение, мг/м

Вещество ПДК максимально разовая среднесуточная

Пыль нетоксичная 0,5 0,

Окись углерода

Двуокись азота 0,085 0,

Сернистый ангидрид 0,5 0,

Сероводород 0,008 0,

Сероуглерод 0,03 0,

Серная кислота 0,3 0,

Аммиак 0,2 0,

Ацетон 0,35 0,

Бензин (в пересчете на С) 5 1,

Сажа (копоть) 0,15 0,

Фенол 0,01

Формальдегид 0,035

Фосфорный ангидрид 0,15 0,

Хлор 0,1 0,

В Интинском геолого-промышленном районе объем валовых выбросов в атмосферу от 22 предприятий города составляет 41973,9 тонн/год (4085 -твердых веществ, 17461,5 - сернистого ангидрида, 3774 - оксида углерода, 1176 - оксидов азота, 2,7 - углеводородов, 4,7 - летучих органических соединений). Из них 26550,2 тонны выбрасываются без очистки, так как только 13 предприятий оснащены пылеочистным оборудованием. Данные о выбросах вредных веществ в атмосферу приведены в таблице 1.4 [3].

Земельные ресурсы и геологическая среда. Влияние деятельности угольных предприятий на состояние земельных ресурсов разнообразно по формам своего проявления. В результате эксплуатации шахт и обогатительных фабрик, сокращаются продуктивные земельные площади, изменяется структура и состав поверхностного слоя земной коры, что приводит к потере плодородия земельных угодий. Наибольший ущерб природе наносят отвалы вскрышных пород, выработанные пространства горных выработок, деформированные участки дневной поверхности (мульды оседания, провалы), породные отвалы шахт,- хвостохранилища, шламоотстойники, шламонакопители обогатительных фабрик, промплощадки и транспортные коммуникации [6].

Таблица 1.

Выбросы вредных веществ в атмосферу (по Шурекову Н.А.)

Наименование показателей Един. изм. 1991 г. 1992 г. 1993 г. 1994 г.

Число предприятий, имеющих выбросы вредных веществ в атмосферу единиц

Выбросы вредных веществ (всего): тыс. т 39,4 39,3 39,4 41,

Из них: твердые вещества к 15,1 15,0 16,5 18, сернистый ангидрид и 18,5 18,6 17,6 18, окись углерода и 4,2 4,1 4,0 3, оксиды азота и 1,5 1,5 1,3 1, углеводороды тыс. т - - - 0, летучие органические соед. II - - - 0,

На 1.01.95 года земельные ресурсы Воркутского района составляют 2,4 млн. га, из них под породными отвалами и шламонакопителями занято более 426 га земель. Земельный фонд Интинского района на 1.01.95 год составил 3,01 млн. га. Площади нарушенных земель составляют 1589 га, отработанных - 813 га, рекультивированных - 210 га [2][3]. В районах подземной добычи формируется отвальный тип местности: природный ландшафт портят отвалы, поднимающиеся на высоту до 50 м, а местами и выше; нарушение почвенного покрова в условиях тундры приводит развитию термокарста. Объемы загрязнений, поступающие в природную среду с ветром и дождевыми потоками достаточны для экологически опасного воздействия на флору и фауну. Так, озера, расположенные вблизи отвалов характеризуются превышением ПДК по минерализации сульфатом ХПК, нитратом в 2-8 раз [5]. Отрицательные изменения связаны так же со сдвижением и деформацией горных пород и земной поверхности. В результате, в подработанной горными работами толще пород образуются многочисленные зоны водопроводящих трещин, на дневной поверхности появляются провалы, прогибы, затопленные и заболоченные участки, изменяется водно-солевой баланс зоны аэрации. Из-за постоянных откачек воды из шахт нарушается естественное состояние и режим подземных вод. Среднегодовые водопритоки в шахты Печорского бассейна составляют в м3/час: минимальные - 35, максимальные - 638, средневзвешенные на одну шахту -215, средний коэффициент водообильности - 1,9 м3/т.

Образование котловин в результате просадки грунта или деградации мерзлоты часто влечет за собой затопление их грунтовыми водами, что приводит к образованию термокарстовых озер и заболачиванию территории.

1.3. Характеристика состава и свойств твердых отходов добычи и обогащения угля

Существующие хранилища отходов углеобогащения оказывают негативное влияние на окружающую природную среду. Ежегодный прирост объемов твердых отходов на угледобывающих предприятиях Печорского бассейна составляет около 300 тыс. т. Твердые отходы добычи и обогащения каменных углей месторождений Печорского бассейна представлены отвальными массами и тонкодисперсными отходами обогащения -влажными каменноугольными шламами.

Отвальные массы. Они являются одним из основных источников загрязнения окружающей природной среды Воркутского и Интинского геолого-промышленных районов. Известно, что вредное влияние отвалов на литосферу, гидросферу и атмосферу заключается в нарушении плодородного слоя почв, загрязнении их токсичными элементами, запылении и загрязнении ядовитыми газами при горении отвалов, загрязнении поверхностных и подземных вод, угнетающем влиянии на животный и растительный мир, способствовании, возникновению болезней и эпидемий [7][8][9][10]. Отвальные массы формируются из вмещающих горных пород, называемых "пустыми", и в основном, представленных аргиллитами с растительными остатками, углистыми и слабоуглистыми аргиллитами, аргиллитами слоистыми с алевролитом и реже крупнозернистыми песчаниками, углем, сложенным полублестящими литотипами.

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 [7] [4]. 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 [11]. При этом наблюдаются изменения тундрового ландшафта (переувлажнение почв, их оглеение, местами заболачивание местности), изменения растительного покрова вплоть до его полного исчезновения.

Установлено [10], что при нарушении естественного тундрового покрова породными отвалами и подъездными путями к ним уменьшается примерно в два раза альбедо поверхности, обнажаются минеральные грунты, имеющие более высокую теплопроводность, чем дернина и почвенный слой; увеличивается поток тепла в грунт на 30-60 %, увеличивается аккумуляция тепла за год, что приводит к повышению среднегодовых температур поверхности грунта на 0,9-3,3 °С и увеличению глубины сезонного протаивания на 0,1 -0,4 м. При образовании участков самонагревания в отвалах эти процессы еще более усугубляются.

Породные отвалы шахт Воркутского reo лого-промышленного района являются источниками таких элементов как тяжелые металлы, сера [12] [13] [14] [15] [16], и способствуют образованию аномалий тяжелых металлов в почвах с радиусом рассеивания до 300 км.

Особенностью отвалов угольных месторождений является форма 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 подотвальных почвах во многом зависит от качественного состава почв, окислительно-восстановительной обстановки, щелочно-кислотных условий, и набора определенных топоморфных элементов.

Исследованиями установлено, что наряду с тяжелыми металлами и серой в отвальных массах содержится значительное количество угля. Содержание последнего в некоторых "старых" отвалах Воркутского геолого-промышленного района достигает 15-16 %, при этом встречаются включения угля в виде кусков размером до 25-30 см в поперечнике. Наиболее характерным представителем таких отвалов является породный отвал шахты "Октябрьской", где по официальным данным скопилось до 600-700 тыс. т. угля, но фактически эти объемы могут быть и выше [17] [18] [19]. Такое содержание угля позволяет квалифицировать эти отвалы как антропогенные месторождения. В настоящее время их объем значительно превысил 200.00 тыс. м3, занимаемая площадь достигает 70 и более—га. Наряду с породой в составе отвальных масс содержится также ряд полезных компонентов, а также порой, достаточные для повторной добычи объемы угля (Табл. 1.5).

Хранение таких объемов угля в смеси с вмещающими породами на протяжении длительного времени угрожает возникновением осложнений экологического характера. Органическая масса отвалов при контакте с кислородом воздуха и парами воды подвергается интенсивному окислению [20]. Это приводит при благоприятных условиях к образованию в каменных углях гуминовых кислот, снижению теплоты сгорания, повышению зольности, и, как следствие, снижению температуры воспламенения угля [13] [14] [19].

Таблица 1.

Состояние породного хозяйства на действующих шахтах ОАО "Воркутауголь"

Шахта Год ввода в эксплуатацию отвала Объем, тыс. м3 Занимаемая площадь, тыс.м2 Содержание золы, %

Северная" 1982 5000 17,6 86,

Воркутинская" 1970 4800 12,2 83,

Октябрьская" 1960 2100 12,2 72,

Заполярная" 1975 2200 11,3 82,

Юр-Шор" 1979 1100 4,8 82,

Центральная" 1971 1340 8,9 79,

При длительном хранении отвальных масс на открытом воздухе происходит существенное снижение крепости отвальных масс: коэффициент крепости по М.М. Протодьяконову, снижается на 1,65-1,75 % в год, увеличение пористости составляет до 4 % в год. Как следствие, изменяется их гранулометрический состав отвальных масс (Табл. 1.6.;1.7.). Более детально механические свойства твердых отходов обогащения угля до настоящего времени не изучены, хотя работы в этом направлении проводятся в России и за рубежом на протяжение длительного времени [8] [11] [18].

Отвальные массы с течением времени при хранении на открытом воздухе избирательно разрушаются, это проявляется в снижении зольности в крупных классах за счет более быстрого по сравнению с углем разрушения вмещающих пород. Разрушение крупных классов вмещающих пород, в первую очередь аргиллитов и алевролитов, происходит при выветривании под действием кислорода воздуха, влаги и поочередного промораживания и растепления. Однако исследованиями отмечено [18], что разрушение вмещающих пород происходит с различной интенсивностью в зависимости от местоположения в отвале. При анализе результатов исследований проб в восточной части отвала шахты "Октябрьской" получены данные, подтверждающие это заключение (Табл. 1.7). При этом качественные показатели извлеченного из отвалов и обогащенного угля, отличаются только

Таблица 1.

Ситовой состав твердых отходов Западного участка отвала шахты "Октябрьской"

Класс крупности, мм Время хранения 5 лет, 20 м от борта, глубина 0,5 м Время хранения 5 лет, 20 м от борта, глубина 2,5 м

Выход класса, % Ad, % Выход класса, % Ad, % '

Более 50 22,87 92,5 17,96 85,

25-50 11,96 82,1 16,34 79,

13-25 21,78 77,3 24,96 73 ,'

6-13 15,54 69,5 15,03 67,

3-6 9,07 64,8 8,42 61,

1-3 10,68 61,5 10,05 65,

0,5-1 3,02 47,5 2,75 52,

0,2-0,5 2,57 45,7 2,30 46,

0,1-0,2 0,93 40,4 0,81 43,

0,05-0,1 0,77 41,3 0,70 46,

0,01-0,05 0,56 41,3 0,53 46,

0,005-0,01 0,11 41,3 0,04 46,

Менее 0,005 0,14 41,3 0,11 46,

ИТОГО: 100,0 74,7 100,0 72, по пластометрическим показателям "х" (пластометрическая усадка) и "у" (толщина пластического слоя) (Табл. 1.8.). Причем скорость их изменения (снижения) намного ниже скорости снижения этих показателей при хранении отвальных масс в массивах не связанных мерзлотой.

Таблица 1.

Ситовой состав твердых отходов Восточного участка отвала шахты "Октябрьской"

Класс Хранение более 20 лет, в 50 м от Хранение более 20 лет, в 50 м от борта, с глубины 0,5 м борта, с глубины 2,5 м крупности, мм Выход класса, % Ad, % Выход класса, % А",.%

Более 50 13,46 62,6 13,19 86,

25-50 14,36 65,4 10,93 81,

13-25 25,68 75,4 23,19 80,

6-13 18,24 80,5 17,55 84,

3-6 10,34 76,4 11,74 80,

1-3 10,91 69,6 14,37 80,

0,5-1 2,83 56,4 3,63 68,

0,2-0,5 2,31 52,0 2,68 64.

0,1-0,2 0,72 50,2 1,02 67,

0,05-0,1 0,69 52,8 0,92 70,

0,01-0,05 0,35 52,8 0,59 70,

0,005-0,01 0,02 52,8 0,06 70,

Менее 0,005 0,09 52,8 0,13 , 70,

ИТОГО: 100,0 71,1 100,0 80,

В результате выявленных закономерностей избирательного разрушения отвальных масс выполнен первый этап комплекса научно-исследовательских работ по изучению возможности извлечения угля из породных отвалов шахты "Октябрьской" [17] [18] [21]. В основу технологии положен способ обогащения механическим отделением крупных классов угля от мелких, а также от разрушенных выветриванием. Показатели полуденного из отвальных масс угля составляют соответственно: %, гг=3,9 %, УаГ=38,5 %, 8^=0,26 %, (^=32724 кДж/кг.

Установлено, что на интенсивность разрушения существенное влияние оказывает наличие в отвалах техногенной мерзлоты в виде так называемых перелетков, которые, судя по всему, обладают консервирующим эффектом: мерзлое состояние пород при отсутствии циклических процессов оттаивания и повторного замерзания способствует замедлению процессов окисления и разрушения. Этот вывод получен после определения пластометрических показателей в пробах отвальных масс взятых в отвалах шахт "Воркутинской" и "Октябрьской" ОАО "Воркутауголь" со сроком хранения 5 и 20 лет на глубинах 0,5 м и 2,5 м от поверхности. При этом отмечено, что в зонах распространения перелетков изменений показателя "X" - величины усадки практически не наблюдается. При хранении в зоне сезонного протаивания -промерзания за 5 лет хранения величина усадки в пробах угля сократилась с 32 до 29, что составляет 9,4 %, т.е. снижение составило до 1 % в год. Замедление уменьшения толщины пластического слоя "У" в зоне распространения перелетков происходит менее интенсивно - 0,4 % в год против 0,8 % в ' год при размещении в зоне сезонного протаивания -промерзания.

Общий вид зависимости интенсивности разрушения отвальных масс от указанных факторов имеет такой вид [18]:

1разр =Ао+(а11в+а21к+аз1раСТ.), (1.1)

1разр. - интенсивность разрушения вмещающих пород, проценты в год;

Ао - коэффициент, учитывающий изменение условий содержания породы после выемки из массива и влияние на интенсивность разрушения снятия напряженного состояния, в котором порода находилась в массиве; а2, а3 - коэффициенты (+/-), учитывающие величину разрушения вмещающих пород под действием различных факторов за единицу времени, проценты в год;

I в - период времени с момента выемки пород до переработки на обогатительной установке, годы;

I кон. - время нахождения горных пород в мерзлом состоянии (период консервации), годы; t раст. - время с момента растепления вмещающих пород до разделения на установке, годы.

Таблица 1.

Качественные показатели обогащенного погребенного в отвалах угля

N п.п Зола Ал, % Сера общая Б",, % Выход летучих веществ Vм, % Высшая теплота сгорания по бомбе, (Л, кДж/кг Низшая теплота сгорания по рабочему топливу, 0Г1, кДж/кг Пластометрические показатели х (мм) у (мм)

252 8,10 0,48 34,

253 9,90 0,45 33,

254 9,50 0,51 33,

255 10,6 0,48 33,

256 12,8 0,50 35,

257 7,40 0,40 32,

258 9,30 0,41 32,

259 10,6 0,39 33,

260 11,1 0,42 32,

261 10,1 0,41 32,

262 10,1 0,44 31,0 35265 28763 24

263 12,0 0,43 30,

264 33,6 0,65 29,

265 18,5 0,45 29,

266 17,8 0,33 29,

Интенсивность снижения прочности вмещающих пород, как уже говорилось, достигает 1,75 %, что существенно опережает интенсивность окислительных процессов, но как установлено рядом определений, интенсивность их разрушения после длительного нахождения в зоне перелетков еще более возрастает. Это позволяет надеяться на возможность получения углей достаточного для энергетических нужд качества из отвальных масс путем механического разделения [18] [19].

Каменноугольные шламы - твердые отходы обогащения углей складируются на открытом воздухе в наружных шламонакопителях угледобывающих предприятий Печорского угольного бассейна. Хранение таких значительных объемов тонкодисперсной мелочи на открытом воздухе продолжительное время приводит к попаданию последней с паводковыми и ливневыми водами в бассейны близлежащих рек, а также к засорению пылеватыми частицами атмосферы и почв. Поскольку угольный шлам и угольная мелочь характеризуется повышенным содержанием некоторых малых элементов (Ni, V, Мп), таких примесей как пирит, то, при водной эрозии образуются фитотоксичные потоки, которые увеличивают общее техногенное геохимическое загрязнение природных сред, что увеличивает экологическую напряженность в северном регионе. Суммарные техногенные нагрузки угольных шахт на окружающую среду весьма значительны и имеют тенденцию к дальнейшему росту.

В то же время по своим качественным характеристикам шламы не уступают добываемым углям (Табл. 1.9), что объясняется обогащением наиболее тонких классов углей [22] наиболее хрупким микрокомпонентом -витринитом, преобладающим в составе углей Печорского бассейна. Как правило, шламы имеют естественную влажность до 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-технологические свойства, гранулометрический (Таблица 1.9. и 1.10) и петрографический состав каменноугольной мелочи, а также химический состав золы [23].

Угольные шламы Воркутского геолого-промышленного района значительно отличаются по своим качественным характеристикам от шламов Интинского района (Табл. 1.9. и 1.10.).-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 "Комсомольской", 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.

Таблица 1.

Качественная характеристика каменноугольной мелочи

Печорского бассейна

Наименование шахты, ОФ Показатели

А", % у"", % кДж/кг кДж/кг X, мм У, мм

Воркутский геолого-промышленный район, шламы (0-0,5 мм)

Северная" 15,8 27,2 0,

Воркутинская" 25,6 34,7 0,

Комсомольская" 17,8 32,4 0,

Аяч-Яга" 41,7 37,2 1,59 32992

Центральная" * 22,1 33,2 0,

Заполярная" 20,0 31,7 0,

Юнь-Яга" * 24,8 25,5 0,65 35425 (35852) - 35(37) 13(16)

ЦОФ "Печорская" 28,0 32,5 0,7 34374 18317 -

Отсевы (0-13 мм), ГЖО ш. "Воргашорской" (50-60 % класса 0-50 и20 % класса 0-200 мм)

Северная" 20,0 33,2 0,

Воркутинская" 21,0 32,5 0,

Воргашорская" 23,5 36,0 1,

Интинский геолого-промышленный район, шламы (0-3,0 мм)

ГОФ "Капитальная" 38,9 40,1 2,4 30519 14474

ГОФ "Интинская" Цех № 1 Цех № 2 40.8 36.9 38,2 39,0 2,24 2,65 30714 30296 16869 15098

Отсевы (класс 0-13 мм)

ГОФ "Капитальная" 33,4 40,8 2,21 31300 17100

ГОФ "Интинская" Цех № 1 Цех № 2 33,0 32,5 39,0 38,2 2,8 2,9 30048 30160 17289 17600 Шламонакопители на промплощадках закрытых шахт

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.

Таблица 1.

Гранулометрический состав угольных шламов Печорского бассейна

Шахты, фабрики Ситовой состав шламов, %

6 - Змм 3 - 1 мм 1 - 0,5 мм 0,5-0 0,5-0,1 0,1

Ad, % % А", % % А", % % А", % % Ad, % % А", %

Воркутский геолого-промышленный район

Северная" - - - - - - 100 15,8 - - -

Воркутинс-кая" - - - - 19,4 35,3 80,6 23,3 - - -

Комсомольская" - - - - - - 100 17,8 - - -

Заполярная" - - 4,9 24,0 • 25,.9 21,5 69,2 19,2 - - -

Центральная"* - - - 24,4 19,1 75,6 23,1 - - -

Юнь-Яга"* 1,5 29,5 32,2 26,5 66,3 23,4 - - -

Аяч-Яга" 1,9 34,7 3,8 35,6 50,3 33,7 44,0 51,6 - - -

Интинский геолого-промышленный район

Капитальная" Нет данных

ГОФ "Интинская" Цех № 1 Цех №2 25,4 10,2 17,61 13,05 14,9 12,21 17,4 10,71 - - 36,3 35,9 26,88 19,12 23,4 41,7 58,2 53, Шламы в шламонакопителях на промплощадках закрытых шахт

По показателям качества (теплота сгорания, зольность, гранулометрический состав и др.) и минеральному составу воркутинские шламы относятся к категории перспективных для производства полноценного бытового топлива. 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 (Великобритания) требованиям к бытовому топливу по дымности.

Переработка шламов Интинского геолого-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 (дообогащение 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 преждевременна до 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.

1.4. Состояние окружающей среды геолого-промышленных районов бассейна

Заключение диссертации по теме «Геоэкология», Нифонтова, Татьяна Ивановна

Выводы

1. Для оценки экономической эффективности применения комбинированного метода обезвоживания и управления влажностью шламов для последующей вторичной переработки целесообразно использовать в качестве критерия оценки методику расчета экономической эффективности без учета рентабельности реализации: Э-Х^хпх^ЕЗгхпх!

2. Ожидаемый экономический эффект от внедрения новой технологии при переработке 100 тыс. т в год влажных шламов с массовой долей влаги 30 % только по одной установке за период ее эксплуатации (6 лет) составляет 51053,4 тыс. руб.

3. Из-за специфического географического положения Воркутского горно-промышленного района в зоне распространения многолетнемерзлых пород его территория не используется для производства сельскохозяйственной продукции, поэтому общий экономический результат от природоохранных мероприятий Э0бщ по подготовке тонкодисперсной мелочи складывается только из предотвращенного или ликвидированного ущерба УП(л) для земельных ресурсов, атмосферы и дополнительного дохода от снижения затрат на подготовку шламов для утилизации В: Э0бщ=Уп (л)+В и составляет 52929,67 тыс. руб.

142

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации изложены выполненные автором новые научно обоснованные экологические, технические и технологические разработки: экспресс-метод предварительной оценки уровня загрязненности атмосферного воздуха; экономичная и экологически безопасная технология обезвоживания высоковлажных угольных шламов; методика изменения структуры шихты за счет обработки угольных шламов тонкодисперсными природными минеральными добавками; технические решения по аппаратуре технологического модульного комплекса, обеспечивающие решение важной прикладной задачи - снижения суммарных техногенных нагрузок угольных шахт на окружающую среду.

Выполненные исследования позволяют сделать следующие основные научные выводы и практические рекомендации.

1. Районирование территории наиболее представительного объекта Печорского бассейна - Воркутского геолого-промышленного района по разным уровням загрязнения, свидетельствует о правомерности использования в качестве количественных критериев величины суммарного загрязнения почво-грунтов тяжелыми металлами, модуля техногенной нагрузки, коэффициента относительного увеличения пылевой нагрузки для снежного покрова.

2. Исследования основных районов г. Воркуты показали, что 50-100 % площади представляют собой комплексные техногенные аномалии сходного геохимического спектра, основные элементы загрязнители в которых представлены 8г, Ва, Си, Ъа, Бп, Мо, Мп, Сг, РЬ, а источниками загрязнения природной среды в районе, оказывающими прямое экологическое воздействие на биоту, являются пылевые выбросы цементного завода, ТЭЦ, ЦВК, котельных и отходы углеобогащения.

3. Установлена зависимость величины максимального проективного покрытия лишайниками исследуемых участков от интенсивности пылевой

143 нагрузки и суммарной концентрации малых элементов, находящихся в воздухе, а также зависимость коэффициента относительного увеличения пылевой нагрузки (Кр) от показателя суммы долей ПДК металлов в атмосферном воздухе (Х^).

4. На основе анализа основных загрязняющих факторов добычи и обогащения угля проведена оценка экологического состояния окружающей природной среды в районе действующих и закрытых угольных шахт Печорского бассейна и установлено, что хранение значительных объемов тонкодисперсной угольной мелочи увеличивает экологическую напряженность в северном регионе.

5. В соответствие с данными геохимического опробования товарной продукции и отходов 22-х углепредприятий Печорского бассейна и ТЭЦ-2 установлено содержание 53-х элементов-примесей, среди которых есть и токсичные: мышьяк, бериллий, ванадий, кобальт, марганец, никель, свинец. Такие элементы как никель, барий, хром, скандий, титан, цирконий, гафний, ниобий, галлий, ванадий, хлор, бром, превышают средние кларковые значения.

6. Исследованиями установлено, что породные отвалы и шламонакопители отличаются большой миграционной подвижностью химических элементов, которая определяется активным воздействием агентов выветривания, а также сорбционными, нейтрализующими, седиментационными свойствами вмещающих уголь горных пород. В почвах, погребенных под отвалами и шламонакопителями, происходит ощутимая геохимическая трансформация с образованием литохимических и гидрохимических аномалий.

7. Изучение таких качественных характеристик каменноугольных шламов как: зольность, содержание серы, теплота сгорания, выход летучих веществ, позволило установить их перспективность для использования после соответствующей переработки в качестве полноценного бытового топлива.

144

8. Анализ закономерностей процесса смачивания угольных частиц классов 6-1 мм, 1-0,5 мм и 0,5-0,005 мм и физических процессов обезвоживания углей, показал, что удаление влаги из углей класса менее 6 мм (шламов) затруднено и требует специальных способов, так как мелкие частицы способны создавать с водой устойчивые коллоидные смеси и вести себя как гидрофильные вещества. Поэтому, способ удаления влаги из угольных шламов должен быть комплексным и должен учитывать особенности гранулометрического состава, строения и силы адгезии, существующие между влагой и частицами угля.

9. Опытным путем установлено, что определяющим для условий формообразования брикетов служит не уровень влажности, а структура угольной смеси, характеризуемая определенным показателем пластической прочности Рт, необходимым для формообразования.

10. В результате исследования процесса "загущения" (псевдоосушения или влагоудержания) брикетной шихты с различным уровнем содержания массовой доли влаги до, и после обработки модифицирующими добавками, установлена закономерность изменения пластической прочности и соответствующей ей массовой доли влаги угольной шихты от объема введенных модифицирующих добавок.

11. Установлено, что оптимальному уровню содержания массовой доли влаги для формования шламов (8-14%) соответствует полусухое их состояние со значением пластической прочности Рт=8,0^-12,0 КПа, однако, достижение которого, и даже превышение, возможно и в интервале содержания массовой доли влаги 20-28 % после направленной обработки шламов модифицирующими добавками в объеме 0,2 %.

12. Предложенный метод управления структурными свойствами пластичной угольной массы путем введения в нее тонкодисперсных минеральных модифицирующих добавок (серпентинита), обеспечивает, не снижая уровня массовой доли влаги брикетной шихты, "загущение" (псевдоосушение) ее массы, а разработанный комбинированный способ

145 управления состоянием тонкодисперсных шламов на основе удаления гравитационной и пленочной влаги крупных классов угля с поверхности угольных частиц с помощью виброобезвоживающей установки ВУГ-2, с последующей обработкой полученной массы модифицирующими добавками, позволит снизить негативное воздействие горного производства на окружающую среду Печорского угольного бассейна.

13. Ожидаемый экономический эффект от внедрения новой технологии на одной установке за период ее эксплуатации (6 лет) при переработке влажных шламов с массовой долей влаги 30 % составляет 51053,4 тыс. руб., общий экономический эффект от природоохранных мероприятий - 52929,67 тыс. руб.

146

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Нифонтова, Татьяна Ивановна, 2001 год

1. Коршунов Г.И., Казанин О.И., Приходько Ю.Н., Веселов А.П. Печорский бассейн. Общие сведения и организация угледобычи / Учебное пособие. СПГГИ (ТУ), СПб, 1996.

2. Воркутский угленосный геолого-промышленный район: структура запасов и направления комплексного освоения. Сыктывкар, 1994, -272 с.

3. Олыкайнен A.M., Шуреков H.A. Угольные месторождения Интинского района (Печорский бассейн), Инта, 1997, 292 с.

4. Монгайт И.А. Текиниди К.Д., Николадзе Г.И. Очистка шахтных вод/ М. Недра, 1978, 173 с.

5. Оберман Н.Г., Какунов Н.Б., Рубцов А.И., Основные экологические проблемы Печорского угольного бассейна и пути их решения// Народное хозяйство Республики Коми, Том 7, № 1, Сыктывкар-Воркута-Ухта, 1998.

6. Красавин А.П. Защита окружающей среды в угольной промышленности/-М. Недра, 1991.

7. Гецен М.В., Перминова 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.

8. Золотова В.В., Юдович Я.Э. Элементы примеси в углях Печорского бассейна// Народное хозяйство Республики Коми, Спец. выпуск, 1994, с. 16-25.

9. Миронов К.В. Справочник геолога-уголыцика.-2-е изд., перераб. и доп. М.: Недра, 1991.- 363 с.

10. Лебедев В.В., Рубан В.А., Шпирт М.Я. Коплексное использование углей/ М.: Недра, 1980, с. 239.

11. Евсеев A.B. Природная индикация в мониторинге окружающей среды Заполярья// Международная конференция "Город в Заполярье и окружающая среда (11-16 сентября 1994 г. в.г. Воркуте), Сыктывкар, 1994, с. 25.

12. Вильчек Г.Е. Антропогенная трансформация и устойчивость тундровых экосистем Воркутинского Промышленного района// Взаимодействие организмов в тундровых экосистемах (Тезисы Всесоюзного совещания). Сыктывкар, 1989.-е. 172.

13. Бушковский А.Д. Установка для выделения угля способом грохочения из породного отвала шахты "Октябрьской"/ Народное хозяйство Республики Коми, Сыктывкар-Воркута-Ухта, том 7, № 2, 1998., с. 128-131.

14. Нифонтова Т.Н. К вопросу о возможности извлечения угля из породных отвалов// Народное хозяйство Республики Коми, № 3, т. 7, Сыктывкар Воркута - Ухта, 1998 г., С. 496-499.148

15. Нифонтов Ю.А., Нифонтова Т.И. Избирательное разрушение отвальных масс в отвалах угледобывающих предприятий Севера // материалы конференции "Неделя горняка", № 8, МГГУ, 1999, 2 С.

16. Стадников Г.П. Самовозгорающиеся угли и породы, их геохимическая характеристика и методы опознавания. М.: Углетехиздат. 1956.

17. Приходько Ю.Н., Нифонтов Ю.А., Волкова И.Б., Прокашев А.Н. К вопросу о структурообразующих процессах брикетирования // Народное хозяйство Республики Коми. Сыктывкар, 1995.- С. 284-287.

18. Нифонтов Ю.А. Рациональное использование отходов обогащения угля и снижение экологической напряженности при разработке месторождений Севера России// РИО СПГГИ (ТУ), СПб, 2000,138 с.

19. Арчегова И.Б. Путеводитель научной почвенной экскурсии (тундровая зона).- Сыктывкар, 1997.-26 с.

20. Шувалов Ю.В. Атмосферные выбросы вредных веществ при открытой добыче полезных ископаемых// Горный информационно-аналитический бюллетень, МГГУ, № 11, 2000, С. 46-50.

21. Шувалов Ю.В., Мохамад А., Бульбашев А.П. Предотвращение пылегазовых выбросов и снижение запыленности атмосферы в149карьерах//Горный информационно-аналитический бюллетень, МГГУ, № 6, 2000, С. 46-50.

22. Шувалов Ю.В. Геодинамическая экология "Экология и развитие регионов Балтийского региона, доклады 5-й Междун. конф., МАНЭБ, СПб, 2000.

23. Шувалов Ю.В., Шуйский В.Ф. и др. Оценка состояния экосистемы р. Луга и ее притоков в зоне влияния ОАО "Фосфорит"// Научные доклады 4-й междун. конф. "Экология и развитие Северо-Запада России", 23-27.06.99, СПб, МАНЭБ, 1999.

24. Шувалов Ю.В., Евстратов A.A. Разработка технологии очистки коммунально-бытовых стоков// Горный информационно-аналитический бюллетень, МГГУ, № 3, 1999.

25. Большаков Н.М., Жиделева В.В. Ресурсы вторичного сырья и пути их комплексного использования// Республика Коми: ресурсы и производительные силы. Материалы научно-аналитической конференции в Сыктывкаре 10-12 ноября 1993 г., Сыктывкар, 1999, с. 160-168.

26. Шпектор И.Л., Коршунова Л.М. Охрана водных ресурсов в Воркутинском промышленном районе // Докл. к II Международной конференции "Город в Заполярье и окружающая среда" (Нарьян-мар, 1997). -Сыктывкар, 1997. 12 с.

27. Шпирт М.Я., Рубан В.А., Иткин Ю.В. Рациональное использование отходов добычи и обогащения углей.- М.: Недра, 1990.-224 с.

28. Блинов В.А., Нифонтов Ю.А., Лезгин Л.А. Способ получения топливных брикетов Патент N 2006500 на изобретение, 1994, Бюл. N2, 1995.

29. Шувалов Ю.В., Нифонтов Ю.А., Бенин A.A. 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.

30. Сумм Б.Д., Горюнов Ю.В. Физико-химические основы смачивания и растекания.-М.: Химия, 1975,232 с.

31. Кизилыптейн Л.Я. Формы миграции элементов и редкоземельная минерализация угольного вещества/ Литология и подземные ископаемые, №4,1994, С. 127-129.

32. Сает Ю.Е., Ревич Б.А., Янин Е.П. и др. Геохимия окружающей среды.-М.: Недра, 1990, 335 с.

33. Пашкевич М.А. Техногенные массивы и их воздействие на окружающую среду// СПб, СПГГИ (ТУ), 2000, 230 с.

34. Макарова Ю.А. Тяжелые металлы в шламе и растительности шламохранилища Верхне-Пышминской обогатительной фабрики / информационно-тематический сборник "Техногенез и экология", Екатеринбург, УГГГА, 1999, С. 87-90.

35. 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.

36. Основные нормативно-правовые акты по экологии угольной промышленности/ РАЕН, МАНЭБ, СПб, 2000, 270 с.151

37. Историко-культурный атлас Республики Коми/ М., "Дрофа","Дик",1997, 384 с.

38. Францишко В.П. Окружающая среда, здоровье населения и некоторые проблемы здравохранения заполярной Воркуты/ Труды международной конференции: Город в Заполярье и окружающая среда, 10-12 сентября 1997 г., в г. Нарьян -Маре, Сыктывкар, 1998, С. 402-409.

39. Горохова Г.Б. Некоторые проблемы традиционного природопользования корренных жителей Севера/ Труды международной конференции: Город в Заполярье и окружающая среда, 10-12 сентября 1997 г., в г. Нарьян-Маре, Сыктывкар, 1998, С. 205-208.

40. Глазов М.В. Влияние антропогенного загрязнения на биоту тундр Российской Арктики/ Труды международной конференции: Город в Заполярье и окружающая среда, 10-12 сентября 1997 г., в г. Нарьян-Маре, Сыктывкар, 1998, С. 328-311.

41. Апицин А.А. Влияние экологических условий на состояние здоровья населения Ненецкого автономного округа/ Труды международной конференции: Город в Заполярье и окружающая среда, 10-12 сентября 1997 г., в г. Нарьян-Маре, Сыктывкар, 1998, С. 390-395.

42. Мельников Е.С. Криолитозона и неблагоприятные последствия ее освоения/ Труды международной конференции: Город в Заполярье и окружающая среда, 10-12 сентября 1997 г., в г. Нарьян-Маре, Сыктывкар, 1998, С. 321-324.

43. Семячков А.И. Эколого-геохимический баланс горнодобывающего предприятия / информационно-тематический сборник "Техногенез и экология", Екатеринбург, УГГГА, 1999, С. 76-80.152

44. Ходаков Г.С. Физика измельчения/-М., Наука, 1972, 307 с.

45. Зуев В.В. Энергоплотность, свойства минералов и энергетическое строение Земли.- СПб.: Наука, 1995 128 с.

46. Ревнивцев В.И., Денисов Г.А., Зарогацкий Л.П., Туркин В.Я. Вибрационная дезинтеграция твердых материалов М.: Недра, 1992, 430 с.

47. Усов Г.А., Калашников В.Н. Теория формирования энергонасыщенных дисперсных систем/ Совершенствование техники и153технологии бурения скважин на твердые полезные ископаемые: Межвуз. науч. темат. сб., Вып. 21, Екатеринбург, УГГГА, 1998, С. 156-169.

48. Молчанов В.И., Селезнева О.Г., Жирнов E.H. Активация минералов при измельчении. М.: Недра, 1988.

49. Hartmut Muller Kernfusion und Superfluiditat bei Zimmertemperatur/ Raum und zeit, Nr. 105, Mai/Juni, 2000, s. 5-10.

50. Справочник по обогащению углей. Под ред. И.С. Благова, A.M. Коткина, Зарубина JI.C., 2-е изд., перераб. и доп. М.: Недра, 1984, 614 с.

51. Беловолов В.В., Бочков Ю.Н., Давыдов М.В. и др. Техника и технология обогащения углей// под ред. В.А. Чантурия, А.Р. Молявко. М.: Наука, 1995, 622 с.

52. Фридман С.Э., Щербаков O.K., Комлев A.M. Обезвоживание продуктов обогащения/ М., Недра, 1988, 238 с.

53. Чижский А.Ф. Сушка керамических материалов и изделий / М., изд. литературы по строительству, 1971,105 с.

54. Филиппов В.А. Технология сушки и термоклассификации углей / М., Недра, 1987, 287 с.

55. Молчанов А.Е. Оптимизация технологических схем углеобогатительных фабрик по показателям влажности угольной продукции/ Уголь, 1996, № 6, С. 52-56.

56. Опыт создания экологически чистых угольных технологий/ под общей редакцией М.Г. Беренгартена и А.Г. Евстафьева М., Новый век, 1998, 172 с.

57. Одиноков Б.П., Каминский Д.А., Митенев В.П. Технологические модули гидрошахт с новым уровнем технико-экономических показателей // Тр. ВНИИгидроуголь "Техника и технология гидравлической добычи угля".-Новокузнецк, 1991.- С. 10-17.

58. Пучков Л.А., Михеев О.В., Казаков С.П., Сенкус В.В., Артушкевич В. А. Гидротранспортные системы горнодобывающих предприятий.-М.: Изд. МГГУ, 2000,144 с.

59. Игамбердиев В.М. Исследование состояния экосистем Норильского промышленного района // Международная конференция "Город в Заполярье и окружающая среда (11-16 сентября 1994 г. в.г. Воркуте), Сыктывкар, 1994, с. 31.

60. Мирзоев Г.Г., Иванов Б.А., и др. Экология горного производства. М.: Недра, 1991,320 с.

61. Меркулов В.А. Охрана природы на угольных шахтах. М.: Недра, 1981,184 с.

62. Бурмистров В.Н., Варшавская Д.А., Новинская В.Т. и др. Испоьзование отходов угольной промышленности в качестве сырья для получения стеновых изделий.- М.: ВНИИЭСМ, 1976.

63. Инструкция по изучению и оценке попутных твердых полезных ископаемых и компонентов при разведке месторождений угля и горючих сланцев.- М.: Наука, 1987.

64. Бульбашев А.П., Шувалов Ю.В. Рациональные технологии освоения месторождений строительных материалов.- СПб, 2000, 156 с.

65. Холодняков Г.А. Определение основных параметров открытой разработки комплексных месторождений.-JI: Изд. ЛГУ, 1988, 158 с.

66. Жуков В.Е., Выстороп В.В., Колчин A.M., Григорюк Е.В. Малоотходная технология добычи угля.-К. Техника, 1984, 144 с.

67. Молявко А.Р. Сокращение потерь угля с отвальными породами и отходами обогащения.- Уоголь, 1985, № 10, с. 59-61.

68. Шпирт М.Я. Безотходная технология. Утилизация отходов добычи и переработки твердых горючих ископаемых/ Под ред. Б.Н. Ласкорина.-М.: Недра, 1986.155

69. Молчанов А.Е., Рубан А.Д., Крапчин И.П. Рациональное использование угольных ресурсов составная часть энергетической стратегии России / Уголь, № 4, 1996, с. 57-60.

70. Волков В.Н. Геология и охрана ресурсов ископаемых углей (месторождения мощных угольных пластов)/-Л., Недра, 1985, 216 с.

71. Столбовская Н.В. Анализ и оценка эффективности управления горным предприятием/ Народное хозяйство Республики Коми, 1998, т. 7, № 1, Сыктывкар-Воркута-Ухта, С. 37-41.

72. Завлин П.Н., Васильев A.B. Оценка эффективности инноваций/Издательский дом "Бизнес-пресса", СПб, 1998, 216.

73. Иванов A.A. Экономическая оценка эффективности организации углебрикетного производства в условиях Крайнего Севера/ Народное хозяйство Республики Коми, 2001, т. 10, № 1-2, Сыктывкар-Воркута-Ухта, С. 83-87.

74. Экономическая оценка эффективности утилизации отходов добычи и обогащения угля (на примере Печорского угольного бассейна)/ Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата экономических наук, СПб, СПГГИ (ТУ), 2001, 28 с.

75. Показатели работы ОАО "Воркутауголь" за 2001 год/ ИВЦ ОАО "Воркутауголь", Воркута, 2001, 121 с.

76. Малых И.А., Рейшахрит А.Л. О бухгалтерском учете в связи с оценкой стоимости окружающей среды/ Народное хозяйство Республики Коми, 2001, т. 10, № 1-2, Сыктывкар-Воркута-Ухта, С. 88-92.

77. Ш. "Южная" * ванадий 30-100 34 25-100 69хром 70-100 85цинк 30-150 74

78. ИНТИНСКИЙ ГЕОЛОГО-ПРОМЫШЛЕННЫЙ РАЙОН

79. И. ГОФ "Капитальная" германий 1.8-2.8 2.6 1.7-3.0 2,3 1,8 1.6-1.8 1,7галлий 10-13 11 12.6-15 13,7 30,4 11.5-20.6 16скандий 7,4 8.1-11.3 9,7 5хром * 150 70-100 751.6-1.7 1,6513.8-22.2 18570.100 85200.1750 975

80. ГОФ "Интинская" германий 0,6-2 1,4 1,5-3,5 2,4 1,3-1,8 1,5 1,6галлий 8.7-10.7 9,5 13.2-13.9 13,5 15.2-23.7 19,5 15,9скандий 6,3 7,8 8,7 3цинк 50-300 166

81. Примечания: 1. * шахта закрыта в процессе реструктуризации отрасли;

82. Нижние пределы для детального изучения элементов:германий 3 г/т угля для коксующихся углей, 10 г/т, - для энергетических; галлий - 20 г//т, ванадий, хром, цинк - 100 г\т, марганец - 1000 г/т, ртуть - 0,5-1 г/т.