Научно-методические основы планирования экологически безопасных мероприятий по ликвидации угольных шахт

М.Д. Молев, И.А. Занина, Н.И. Стуженко

НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПЛАНИРОВАНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНЫХ МЕРОПРИЯТИЙ ПО ЛИКВИДАЦИИ УГОЛЬНЫХ ШАХТ

Изложены результаты исследований по обоснованию программы действий при ликвидации неперспективных угольных предприятий. Основное внимание авторов сосредоточено на методах обеспечения экологической безопасности организационно-технических мероприятий. Показано, что цели охраны окружающей среды на территории ликвидируемых шахт могут быть достигнуты только при формировании производственной программы, учитывающей результаты детального комплексного изучения объекта и его взаимосвязи с внешней средой (горным массивом, подземной и поверхностной гидросферой и атмосферой) с использованием теорий системного анализа и прогностики. В частности, на основе анализа научных публикаций по тематике и результатов собственных исследований установлены ведущие факторы негативного воздействия на безопасность жизнедеятельности населения и сформулированы требования к прогнозной системе. Ключевые слова: научное сопровождение, ликвидация, угольная шахта, методология, системный анализ, прогностика, углепород-ный массив, экологическая безопасность, моделирование.

С девяностых годов двадцатого века по настоящее время в нашей стране осуществляется масштабная реструктуризация угольной промышленности. В частности, на территории Российского Донбасса в этот период было закрыто 47 из 58 угольных шахт, ликвидировано крупное производственное объединение по добыче антрацита «Ростовуголь» [1].

Закрытие нерентабельных предприятий сопровождается негативными процессами регионального масштаба, в частности, происходит изменение антропогенного воздействия на окружающую среду. Ликвидация угольных шахт обуславливает возникновение новых явлений и процессов, которых не было в период эксплуатации предприятий. Среди них выделяются процессы:

ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017. № 1. С. 138-145. © 2017. М.Д. Молев, И.А. Занина, Н.И. Стуженко.

• загрязнение подземных водоносных горизонтов и питьевых водозаборов, находящихся в зоне действия промышленных объектов;

• подтопление прилегающих территорий и ухудшение состояния почвенного покрова;

• неуправляемое выделение газов из ликвидированных горных выработок в атмосферу;

• деформации дневной поверхности в районе горного отвода.

На земельном отводе ликвидируемой шахты остаются накопители твердых и жидких отходов производства: терриконы, шламонакопители, отстойники, занимающие обширные территории и являющиеся также довольно серьезными источниками загрязнения подземных и поверхностных вод, а также атмосферного воздуха [2].

В контексте оценки ситуации можно определить ликвидацию как источник влияния на безопасность региона, в том числе на экологию, экономику и социальную сферу. Поэтому для органов власти и руководства угольных компаний необходимо знать прогноз развития процессов, чтобы наметить необходимые меры по нормализации экологической обстановки. Проблема состоит в том, чтобы в продолжающемся процессе реструктуризации угольной промышленности обеспечить нормальные условия жизнедеятельности населения шахтерских территорий и минимизировать негативные воздействия возникающих техногенных факторов на окружающую природную среду (ОПС).

Достижение указанных целей предполагает решение следующих задач:

• выявление природных и техногенных факторов, определяющих характер и масштабы экологических последствий ликвидации шахт;

• оценка роли выявленных факторов на протекающие в геологической среде, гидросфере и атмосфере процессы;

• разработка комплекса методов и методик экологических наблюдений;

• формирование оптимальной программы технических мероприятий, направленных на минимизацию негативного воздействия ликвидационных работ.

Характер указанных процессов проявляется под влиянием природно-экологических, горно-геологических, горнотехнических факторов, при этом в каждом из угольных регионов России имеет свои специфические особенности. Таким образом, использование для закрытия шахт стандартных методик и

технологий может привести к экологическим происшествиям и даже катастрофам регионального масштаба. В связи с возникающими научными и технико-технологическими неопределенностями необходимо выполнять научное обоснование проекта ликвидации. Анализ публикаций по данному вопросу показывает, что отсутствуют работы, в которых была бы системно изложена теория и практика подготовки организационно-технических мероприятий по ликвидации угольных шахт, поэтому авторы считают необходимым представить методологию исследований и экспериментальные результаты [3—5].

Авторская теория обоснования экологизированных организационно-технических решений базируется на следующих методологиях: системного анализа, исследования операций, прогностики и организационного моделирования.

Исследование проблемы обеспечения техносферной безопасности, ее структуры и функций с учетом многообразия средств реализации технологических процессов и исполнителей, а также организационных форм, свидетельствует о том, что промышленные объекты, в том числе и шахты, совместно с окружающей средой образуют сложную динамическую природно-техни-ческую систему (ПТС). Процесс обеспечения экологической безопасности следует рассматривать также как сложную организационно-технологическую систему, которая состоит из множества компонентов, формирующихся исходя из их функциональных характеристик и взаимоотношений в процессе функционирования системы в целом [6—8]. Структура системного анализа направлена на то, чтобы сосредоточить главные усилия на крупномасштабных проблемах, не поддающихся решению более простыми исследованиями, например наблюдением использованием метода аналогий. Для практической реализации теоретических наработок исследования экологических и эко-лого-экономических систем следует использовать интегрированный системный анализ, который включает в себя сравнение системы-эталона с исследуемой системой. Кроме того, интегрированный системный анализ позволяет не упустить из поля зрения наличие «узких» мест в системе.

Применение в научном сопровождении методологии исследования операций обусловлено тем, что ее методы и модели позволяют получить решения, наилучшим образом отвечающие целям организации технологических процессов ликвидации шахт. Так, основное положение теории операций определяет, что оптимальное решение — набор значений переменных, при

котором достигается оптимальное значение целевой функции операции и соблюдаются заданные ограничения.

Основным критерием эффективности ликвидационных работ является состояние безопасной жизнедеятельности населения и сохранение необходимого уровня экологии окружающей среды, поэтому управлению регионом важно знать состояние ПТС в перспективе. Таким образом, необходимо выполнять комплексное научное прогнозирование, заключающееся в полномасштабном и достоверном представлении условий жизни людей при осуществлении ликвидационных мероприятий. Для этой цели предлагается в комплексе с системным анализом и исследованием операции использовать методологию прогностики, которая содержит законы и способы разработки прогнозов развития динамических систем.

Авторскую концепцию методологии исследований, являющейся основой научного сопровождения мероприятий по ликвидации угольных шахт, объединяет в общую систему целевая функция оценки суммарного экологического риска, а именно — вероятности возникновения и развития неблагоприятных природно-техногенных процессов, сопровождающихся существенными экологическими последствиями. Указанная методология обеспечивает комплекс исследования негативного воздействия природных и техногенных процессов, потенциально сопровождающих реструктуризацию угольных предприятий.

Необходимым инструментом на всех этапах научного обоснования, как показывает практика, является моделирование [9]. Оптимальный модельный комплекс должен включать следующие виды:

• модели объектов углепородного массива, модели воздушной и водной сред в пределах региона;

• модели техногенных процессов;

• модели для формирования сети наблюдений;

• эталонные модели нормального состояния природных объектов;

• модели оценки эффективности природоохранных мероприятий.

Авторами были выполнены исследования проблемы ликвидации шахт на территории Ростовской области. В процессе изучения ситуации установлено ряд факторов, которые потенциально определяют геологические, гидрогеологические и экологические процессы во времени и пространстве. По результатам исследований можно сделать вывод о масштабности формиро-

вания так называемого подземного водоаккумулирующего горизонта. Так, шахты бывшего Несветаевского угольного района имеют общую сеть горных выработок, что в результате затопления привело к образованию единого техногенного горизонта объемом около 25 млн куб. м. Динамика подземной гидросферы в сочетании с другими техногенными и природными факторами оказывает негативное воздействие на окружающую природную среду и безопасность жизнедеятельности населения. Роль данных факторов проявляется во влиянии на следующие процессы: интенсивность движения подземных и поверхностных вод, баланс поверхностной и подземной гидросферы; минерализацию, химический и газовый состав, бактериологическое состояние поверхностных вод; динамику формирования потоков газовых смесей; характер инженерно-геологических процессов в горном массиве. О реальной угрозе для населения в случае неконтролируемого процесса затопления можно судить по составу шахтных вод, которые заполняют выработанное пространство в пределах горного отвода объединения «Рос-товуголь» (см. таблицу).

Для обоснования комплекса мероприятий по снижению негативных воздействий, сопровождающих ликвидацию шахт, был проведен анализ результатов натурных измерений в 39 контрольных точках на 17 ликвидируемых шахтах. На основании анализа материалов были сделаны выводы:

1. Скорость повышения уровня и увеличения объема воды в выработанном пространстве шахт обусловлена совокупным влиянием геологических, гидрогеологических и горнотехнических условий, характеризующих затапливаемый массив.

Загрязненность дренажных вод ликвидируемых шахт бывшего ООО «Ростовуголь»

Шахты Содержание микроэлементов, мг/дм3

Pb Cd Li Mo Mn & Sr И Zn

Глубокая 0,005 0,015 0,455 0,03 1,35 0,025 6,8 0,05 0,05

им. Красина 0,003 0,005 2,6 0,02 2,8 0,02 5,0 0,06 0,1

Майская 0,003 0,045 0,34 0,035 0,02 0,013 9,5 0,1 0,1

Мирная 0,003 0,009 1,35 0,02 0,02 0,013 7,0 0,05 0,12

Наклонная 0,003 0,006 0,34 0,01 0,02 0,01 8,5 0,04 0,08

Октябрьская революция 0,008 0,016 0,76 0,02 0,02 0,02 5,0 0,05 0,2

Южная 0,004 0,009 1,3 0,015 0,02 0,015 8,4 0,02 0,22

2. Интегральная характеристика динамики затопления выработанного пространства шахт в пределах региона может служить максимально правдоподобным критерием для прогнозирования развития гидравлической ситуации на вновь закрываемых шахтах. Экспериментальное распределение значений уровней подъема можно вполне удовлетворительно для практики аппроксимировать параболой вида

у = h + 26,04х - 0,3833 х2,

нач ззз

где hш¡ч — начальная глубина затопления, м; х — нормированное время.

Применение усредненной характеристики процесса затопления позволит выполнить диагностику обстановки и прогнозирование развития ситуации, на основании которого обоснованно провести выбор вариантов технических ликвидационных мероприятий, в том числе оценку риска.

Для предотвращения потенциально опасных ситуаций или снижения их отрицательного воздействия необходимо:

• предусматривать в проектах ликвидации технические мероприятия, направленные на стабилизацию процесса;

• разработать механизм корректировки проектных решений в случае возникновения «внештатной» ситуации;

• разрабатывать «пессимистические» и «оптимистические» сценарии развития событий, что позволит минимизировать риски ошибочных решений.

При разработке мероприятий обязательно рассчитываются следующие показатели: объем выработанного пространства, скорости и уровни подъема шахтных вод, расход загрязненных вод в поверхностные водоемы, допустимый объем излива шахтных вод на поверхность с учетом концентрации в них вредных веществ. Затем определяется дата полного затопления шахты и выхода шахтных вод на дневную поверхность.

Важным элементом проектирования работ является определение даты начала гидрологических наблюдений на сетевом графике работ, исходя из прогнозной модели. При этом необходимым элементом расчета является определение резервного времени, связанного с возможной ошибкой прогнозной оценки даты выхода вод на поверхность и временем, потребным на ретроспективный анализ и установление тенденций динамики затопления.

Предлагаемая методика может быть использована во всех угольных регионах, так как разработана на основе интегри-

рованного системного анализа и теории прогнозирования, а установленные тенденции развития негативных экологических факторов носят универсальный характер.

Реальным подтверждением технико-экономической эффективности описанной методологии являются результаты внедрения методики и отдельных ее элементов в практику научно-технического сопровождения ликвидационных работ на территории Восточного Донбасса (Ростовская область).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Молев М.Д. Основные аспекты методологии проведения геофизических исследований при оценке геоэкологической ситуации в угледобывающих районах // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2000. - № 11. - С. 97-99.

2. Golik V. I., Stradanchenko S. G., Maslennikov S. A. Experimental Study Of Non-Waste Recycling Tailings Ferruginous // International Journal of Applied Engineering Research. - 2015. - V. 10. - № 15. - Pp. 35410-35416.

3. Мохов А. В. Геомеханические аспекты консервации и ликвидации каменноугольных шахт с затоплением горных выработок // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2000. - № 3. - С. 123-127.

4. ЗайденваргВ. Е., Навитний А. М, Твердохлебов В. Ф. Гидрогеологические аспекты ликвидации шахт в России // Уголь. - 1999. - № 12. - С. 17-21.

5. Еремеев В. М. Экологический мониторинг ликвидации неперспективных шахт Восточного Донбасса. - Шахты: ЮРО АГН, 2001. - 182 с.

6. Молев М. Д., Молев А.М. Теория и практика управления региональной экологической безопасностью: монография. - Шахты: ЮР-ГУЭС, 2006. - 86 с.

7. Голик В. И., Масленников С. А., Прокопов А. Ю., Базавова О. В. Обеспечение экологической безопасности техногенных отходов // Научное обозрение. - 2014. - № 9. - С. 726-729.

8. Kokhanenko V. N., Duvanskaya E. V., Molev M. D., Zanina I. A., Iliev A. G. The New Approach When Solving The Equation of The Extreme Current Line In The Problem of Free Spreading of A Turbulent Flow // International Journal of Applied Engineering Research. - 2015. - № 4. -Pp. 10033-10039.

9. Молев М.Д., Занина И. А., Стуженко Н. И. Синтез прогнозной информации в практике оценки эколого-экономического развития региона // Инженерный вестник Дона. - 2013. - № 4. - URL: ivdon.ru/ru/ magazine/archive/N4y2013/1993.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Молев Михаил Дмитриевич1 - доктор технических наук, профессор, e-mail: molev_md@mail.ru,

Занина Ирина Алексадровна1 - кандидат технических наук, доцент, Стуженко Наталья Игоревна1 - старший преподаватель, 1 Институт сферы обслуживания и предпринимательства (филиал) Донского государственного технического университета в г. Шахты.

Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2017. No. 1, pp. 138-145. M.D. Molev, I.A. Zanina, N.I. Stuzhenko SCIENTIFICALLY-METHODICAL BASES OF PLANNING OF ENVIRONMENTALLY FRIENDLY LIQUIDATION OF COAL MINES

In article results of researches on justification of the programme of action in the liquidation of unviable coal mines. The main attention of the authors focused on the methods of ensuring the environmental security of organizational and technical measures. It is shown that the objectives of environmental protection on the territory of the liquidated mines can only be achieved with the formation of the production program, taking into account the results of a detailed complex study of the object and its relationship with the external environment (rocks, subsurface and surface hydrosphere and atmosphere) using theories of system analysis and prognostics. In particular, based on the analysis of scientific publications on the subject and the results of their own research to determine leading factors of negative impact on life safety of the population and the requirements to the projected system.

Key words: recycling, industrial resources, coal waste, bioconversion, modeling, biotechnology, biocenosis.

AUTHORS

Molev M.D}, Doctor of Technical Sciences, Professor, e-mail: molev_md@mail.ru,

Zanina I.A.1, Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor, Stuzhenko N.I.1, Senior Lecturer,

1 Institute for Service Sector and Entrepreneurship (branch) Don State Technical University in Shakhty, 346500, Shakhty, Russia.

REFERENCES

1. Molev M. D. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2000, no 11, pp. 97—99.

2. Golik V. I., Stradanchenko S. G., Maslennikov S. A. Experimental Study Of Non-Waste Recycling Tailings Ferruginous. International Journal of Applied Engineering Research. 2015. V. 10, no 15, pp. 35410-35416.

3. Mokhov A. V. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2000, no 3, pp. 123-127.

4. Zaydenvarg V. E., Navitniy A. M., Tverdokhlebov V. F. Ugol'. 1999, no 12, pp. 17-21.

5. Eremeev V. M. Ekologicheskiy monitoring likvidatsii neperspektivnykh shakht Vostoch-nogo Donbassa (Ecological monitoring of closure of unpromising mines in the east of the Donbass), Shakhty, YuRO AGN, 2001, 182 p.

6. Molev M. D., Molev A. M. Teoriya ipraktika upravleniya regional'noy ekologicheskoy bezopasnost'yu: monografiya (Theory and practice of regional environmental safety management: monograph), Shakhty, YuRGUES, 2006, 86 p.

7. Golik V. I., Maslennikov S. A., Prokopov A. Yu., Bazavova O. V. Nauchnoe obozrenie. 2014, no 9, pp. 726-729.

8. Kokhanenko V. N., Duvanskaya E. V., Molev M. D., Zanina I. A., Iliev A. G. The New Approach When Solving The Equation of The Extreme Current Line In The Problem of Free Spreading of A Turbulent Flow. International Journal of Applied Engineering Research. 2015, no 4, pp. 10033-10039.

9. Molev M. D., Zanina I. A., Stuzhenko N. I. Inzhenernyy vestnik Dona. 2013, no 4. http//: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N4y2013/1993.

UDC 622.3: 504.064: 658.01