Экологически рациональное освоение угольных месторождений

УДК 622.86

ЭКОЛОГИЧЕСКИ РАЦИОНАЛЬНОЕ ОСВОЕНИЕ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

В.И. Сарычев, В.В. Факторович, Е.К. Мосина, Л.Л. Рыбак

Усовершенствованы методические положения оценки эффективности проектов экологически рационального природопользования при комплексном освоении месторождений полезных ископаемых. Методика учитывает объем добычи полезных ископаемых и переработки отходов, периодичность проведения экологических мероприятий на предприятии и прогнозную оценку спроса на предлагаемую товарную продукцию.

Ключевые слова: эколого-экономическая оценка, эффективность, месторождение полезных ископаемых, отходы, математическая модель.

Общие балансовые запасы угля в России составляют почти 200 млрд т или 11,3 % мировых запасов. По производству угля Россия занимает 5 место в мире после Китая, США, Индии и Австралии. Энергетической стратегией до 2020 года намечается увеличить добычу угля в России до 450 млн т, в том числе в Кузбассе - до 177 млн тонн. В 2004 году Кузбасс преодолел 150-миллионный рубеж добычи и по итогам года выдал на-гора 158,2 млн т высококачественного угля (подземная добыча - 77,3 млн т, открытая - 81,4 млн т). С 1999 по 2004 год было введено в эксплуатацию 7 шахт и 11 разрезов. В настоящее время в Кузбассе в стадии строительства находятся 18 угледобывающих предприятий - 13 шахт и 5 разрезов, общей проектной мощностью 24 млн т угля [1]. Объемы проходки горных выработок растут (табл. 1). Обеспечение увеличения подземной добычи угля связано с необходимостью повышения безопасности ведения горных работ и снижением количества несчастных случаев, вызванных загазованностью горных выработок. До настоящего времени загазирование горных выработок остается одной из причин несчастных случаев, которые заканчиваются для горняков летальным исходом. Несмотря на сокращение числа угледобывающих предприятий за последние три десятилетия, процент этого вида аварий практически не уменьшается (5,4 % в 70-х годах, 14,0 % в 80-х годах, 8,3 % в 90-е годы, 7,6 % после 2000 года) (рис. 1).

За последнее десятилетие доля взрывов и вспышек метана не превышает 4,3 % от общего количества аварий на шахтах России, однако возникновение опасных газовых ситуаций в горных выработках представляет наибольшую угрозу жизни людей, выполняющих подземные работы. На негазовых шахтах ежегодно происходят несчастные случаи со смертельным исходом из-за непредвиденных изменений состава рудничного воздуха. В связи с этим в течение многих лет разработке эффективных методов прогноза газовыделений и газовых ситуаций уделяется пристальное вни-

мание. Обобщая данные многолетних наблюдений можно утверждать, что аэрологический фактор ограничивает возможности очистных и проходческих комбайнов, поэтому был использован комплексный подход к конструированию машин и оборудования с учетом динамики газовыделений [2].

Социально-экономические и политические условия последних десятилетий обусловили необходимость того, что при решении геотехнических проблем, освоении и эксплуатации недр должен быть в полной мере учтен императив обеспечения безопасности по газовому фактору. В данной работе это было положено в основу геотехнических принципов создания проходческих комбайнов. Представленная работа носит комплексный характер и объединяет многолетние совместные исследования, опытно -конструкторские разработки и промышленное внедрение геотехнических принципов, позволивших в период переходной экономики сохранить конкурентоспособность горнопроходческой техники, создать многопрофильные угольные компании и добиться коммерческого успеха на Российском и внешнем рынке, наращивая уровень безопасности подземных горных работ по газовому фактору [3].

Таблица 1

Объемы проходки горных выработок комбайнами в угольных шахтах России

По угольным шахтам России, м

По шахтам Кузбасса, м

Ш 402796: 36%

332782; 30%

¡321177: 36%

267262; 30%

П 380345; 34%

309055; 34%

2003 02004 Ш2005

2003 02004

Практическая значимость системных принципов моделирования динамики газовыделения и низкотемпературного окисления угля в шахтах заключается в том, что установленные закономерности газовыделений повышают достоверность прогноза газообильности выработок, участков и шахт и дают возможность предварительного анализа газовых ситуаций, которые могут возникать при различных технологических решениях и, таким образом, позволяют оценить уровень их безопасности по газовому фактору.

1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004

Годы

Рис. 1. Количество взрывов метана и угольной пыли (N) на угольных

шахтах России

Разработанные пакеты прикладных программ для прогноза газовыделений и газовых ситуаций в угольных шахтах существенно облегчают решение задач газовой динамики за счет обеспечения диалогового режима работы пользователя с ЭВМ, что повышает эффективность САПР вентиляции. В процессе шахтных исследований проведена промышленная апробация прогноза газовыделений, разработаны новые способы и устройства, повышающие точность измерений и снижающие трудоемкость исследований при газовоздушных съемках, определении сорбционных свойств угля и его окислительной активности; разработано устройство для изоляции тупиковых выработок от выработанного пространства; предложен новый способ дегазации угольного пласта. Математическое обеспечение задач прогноза газовыделений и газовых ситуаций ориентировано на использование существующей базы данных и позволяет оценить эффективность применения различных способов и средств управления газовыделением

[4].

Основные научные и практические результаты комплексных исследований и моделирования динамики газовыделения и низкотемпературного окисления угля в шахтах, реализованные в виде пакетов прикладных программ, использованы ВГСЧ и отделом техники безопасности и охраны труда Минуглепрома СССР, включены в фонды алгоритмов и программ производственных объединений «Краснодонуголь», «Гуковоуголь», «Че-лябинскуголь», «Тулауголь». Закономерности динамики газовых выделений и рекомендации по повышению достоверности прогноза газообильности использованы ИГД им. А.А. Скочинского при разработке раздела «Прогноз метанообильности выработок угольных шахт», входящего в «Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт». Способ дегазации угольного пласта, способ определения площади поперечного сечения выработок, способы и устройства для определения окислительной активности и сорбционных свойств углей, устройство для изоляции тупиковых выработок от выработанного пространства внедрены на шахтах До-

нецкого и Подмосковного бассейнов и использованы в ТулГУ при выполнении хоздоговорных и госбюджетных НИР [5].

Комплекс программных средств методики прогнозной оценки вероятности возникновения аварий в шахтах Подмосковного бассейна позволяет вести автоматизированную базу данных по аварийности и технико-экономическим показателям и оперативно без значительных трудозатрат осуществлять прогнозирование.

Последние годы развития Кузбасса свидетельствуют об особой актуальности проблемы аэрологической безопасности шахт. Анализ добычи углей для коксования по маркам и пропорциям содержания в угольной шихте даже на период до 2005 г. показывает, что отсутствуют ресурсы ценных марок коксующихся углей К, КО, ОС. Деформирование ресурсной базы добычи различных марок коксующихся углей и сокращения производства особо ценных коксующихся углей в условиях ликвидации угольных шахт предопределили необходимость импорта карагандинских углей до 2 млн т. Основная часть запасов особо ценных коксующихся углей сосредоточена в Кузнецком бассейне на действующих предприятиях, а также на ликвидируемых нерентабельных шахтах. Потребность коксохимических предприятий и металлургической отрасли в особо ценных марках коксующихся углей за последние годы возросла в два раза и достигла в 2003 г. 6,7млн т. Удовлетворение внутренней потребности в особо ценных марках коксующихся углей осуществлялось в основном за счет сокращения экспорта поставок российских углей с 2,7 до 0,8 млн т в 2003 г.

В условиях перехода к рыночной экономики, а особенно в условиях реальных рыночных отношений достоверность прогноза безопасности горных работ по газовому фактору приобретает конкретный экономический смысл. Пренебрежение безопасностью горных работ по газовому фактору приводит к крупным авариям, которые наносят ущерб владельцам шахт. С другой стороны, при отсутствии аварий достоверный прогноз газовыделений может существенно снизить расчетной количество воздуха для проветривания очистных и подготовительных участков, что уменьшает эксплуатационные затраты на вентиляцию шахт при сохранении высокого уровня безопасности горных работ

Анализ экологической ситуации, сложившейся в промышленно развитых регионах, показывает, что основной причиной надвигающегося кризиса является технократическая концепция, господствующая в отношениях между обществом и природой. Эта концепция основывается на гипотезе о том, что природа является неограниченным источником физических ресурсов (воздуха, воды, почв, минерального сырья, энергетических источников), используемых для нужд человека. В результате такого развития может возникнуть парадоксальная ситуация, когда национальный доход будет возрастать, а национальное богатство уменьшаться.

Комплексные исследования, проводимые в течение последних десяти лет на территориях Кузнецкого, Подмосковного и других угольных бассейнов, а также на территории Уральского региона показали, что современные масштабы воздействия на атмосферу и гидросферу, а также техногенная активизация геохимического переноса сопоставимы с геологическими процессами (рис. 2 - 5). Но рост производства приводит к тому, что используемые геотехнологии будут преобразовывать природу, поэтому важнейшей проблемой стратегии управления качеством окружающей природной среды является вопрос об организации системы, определяющей эффективность комплексного и экологически рационального использования природных ресурсов.

Такой комплексный подход, основанный на системных принципах разработки и внедрении новых методов разрушения горных пород и утилизации отходов угледобычи, и реализован в рассматриваемой работе. Нам удалось на практике доказать эколого-экономическую эффективность так называемых рециркуляционных технологий, обеспечивающих полный или частичный возврат компонентов в технологические процессы.

Это снижает нагрузку на окружающую среду и приносит дополнительный доход, обусловленный ресурсосберегающими методами добычи и переработки твердых полезных ископаемых.

Содержание металлов в породных отвалах отработанных шахт показывает, что при определенных технологических условиях - это по сути дела техногенные месторождения (табл. 2).

Таблица 2

Содержание металлов в отвалах отработанных __шахт ОАО «Мосбассуголь»_

Металлы Концентрация в породных отвалах отработанных шахт треста «Богородицкуголь», мг/кг

Ш 59 Ш 59 Ш 71 Ш 71

и 3,7 3,9 4,1 4,0

8г 28,3 50,7 81,8 89,6

РЬ 32,7 55,4 38,9 38,8

А« 13,7 16,4 12,7 13,2

Zn 33,4 163,6 38,1 38,5

Си 0 0 0 0

N1 21,5 53,0 41,1 43,7

Fe 2,8 3,53 4,2 3,4

Со 1,2 8,3 0 2,1

Мп 32,1 48,9 43,7 36,3

Сг 59,2 87,3 94,6 106,6

V 60,6 92,5 110,0 104,5

Т1 0,6 1,0 1,1 1,2

рН 3,7 5,1 4,2 4,0

Рис. 2. Породный отвал отработанной шахты ОАО «Мосбассуголь» в Богородийком районе Тульской области

Рис. 3. Техногенная пустыня в зоне действия породного отвала на территории Богородицкого района Тульской области

Рис. 4. Техногенная пустыня в зоне действия породного отвала на территории Узловского района Тульской области

Рис. 5. Озеро, образованное поверхностными водами, на территории техногенной пустыни отвала отработанной шахты ОАО «Мосбассуголь»

Стратегия рационального природопользования в целом и использования минерально-сырьевых ресурсов в частности предполагает практическую реализацию следующих мероприятий:

- создание и развитие территориальной системы сбора, анализа и обобщения информации о природных ресурсах;

- разработка и совершенствование территориальной системы ситуационного моделирования;

- обеспечение функционирования комплексного территориального кадастра природных ресурсов;

- разработка комплексного территориального кадастра загрязнения окружающей среды;

- развитие локального экологического законодательства, обеспечивающего функционирование нормативно-правовых механизмов, способствующих экологически рациональному природопользованию;

- разработка и развитие базы данных по технологиям добычи и переработки полезных ископаемых, а также утилизации отходов горного производства;

- создание территориальной системы маркетинга природных ресурсов;

- разработка и внедрение новых технологий производства строительных материалов и изделий из отходов угольной промышленности;

- расширение области применения горнопроходческой техники путем внедрения геотехнологий при утилизации отходов производства.

Основные геоэкологические принципы комплексного освоения недр позволили расширить область применения разработанных горных машин и оборудования. Эта техника с успехом используется при разработке техногенных месторождений. Оборудование для гидромеханического разрушения горных пород используется также и при очистке различных поверхностей, резании прочных и хрупких материалов, диспергировании твердых примесей в жидких стоках и в воде, используемой для гидромеханического воздействия.

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. Качурин Н.М., Воробьев С.А., Факторович В.В. Теоретические положения и модели воздействия на окружающую среду подземной добычи полезных ископаемых// Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2013. Вып. 3. С. 126 - 134.

3. Геоинформационные системы и социально-экономические данные / Н.М. Качурин и [др.] // Известия ТулГУ. Геоинформационные технологии в решении региональных проблем. 2001. С. 22 - 26.

4. Качурин Н.М., Зоркин И.Е., Качурина О.Н. Оценка инвестиционного климата в проектах рационального природопользования// Известия ТулГУ. Геоинформационные технологии в решении региональных проблем. 2002. С.185 - 188.

5. Качурин Н.М., Белая Л.А., Зоркин И.Е. Принципы и результаты геоэкологического мониторинга параметров окружающей среды // Известия ТулГУ. Естественные науки. Вып. 1. 2009. С.217 - 228.

Сарычев Владимир Иванович, д-р техн. наук, проф., galina stasamail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Факторович Вадим Вадимович, аспирант, ecology@tsu.tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Мосина Екатерина Константиновна, аспирант, ecology@tsu.tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Рыбак Леонид Львович, аспирант, ecology@tsu.tula.ru,, Россия, Тула, Тульский государственный университет

ENVIRONMENTAL RATIONAL USING COAL DEPOSITS V.I. Sarichev, V. V. Factorovich, E.K. Mosina, L.L. Ribak

Methodical principals of e valuating efficiency of environmentally rational using natural resources by complex mining mineral deposits projects were updated. Method takes into account volume of mining minerals and processing mining wastes, periodicity of realizing environmental measures at a mining enterprise and forecast evaluating demand for proposed marketable products.

Key words: environmental-economical evaluation, efficiency, mineral deposit, wastes, mathematical model.

Sarichev V.I., Doctor of Technical Science, Professor, ecology@tsu.tula.ru , Russia, Tula, Tula State University,

Factorovich V.V., Post Graduate Student, ecology@tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Mosina E.K., Post Graduate Student, ecology@tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Ribak L.L., Post Graduate Student, ecology@tsu.tula.ru,, Russia, Tula, Tula State University