Геоэкологические аспекты рационального использования ресурсного потенциала терриконов угледобывающих предприятий (на примере Кизеловского угольного бассейна) Гайдай Максим Федорович

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1. Анализ состояния проблемы негативного экологического влияния терриконов и возможных путей использования заложенного в них ресурсного потенциала 13

1.1 Техногенная экологическая нагрузка, формируемая терриконами угледобывающих предприятий 13

1.2 Технические и экологические параметры терриконов 16

1.3 Ранжирование терриконов по степени негативного геоэкологического влияния

1.4 Способы снижения геоэкологической техногенной нагрузки, формируемой терриконами 28

1.5 Оценка ресурсного потенциала терриконов угледобывающих предприятий и возможных направлений его использования 33

1.6 Цели и задачи исследования 36

ГЛАВА 2. Рекультивация и консервация терриконов угледобывающих предприятий 38

2.1 Рекультивация терриконов 39

2.2 Технические решения по консервации терриконов 41

2.3 Материалы для консервации терриконов 47

2.4 Выводы 50

ГЛАВА 3. Применение горных пород терриконов в различных отраслях промышленности

3.1 Минеральный и химический составы горных пород, складированных в терриконах 52

3.2 Существующие технологии переработки горных пород терриконов

3.2.1 Применение горных пород терриконов в качестве техногрунта 64

3.2.2 Применение горных пород терриконов как сырья в металлургии 66

3.2.3 Использование горных пород терриконов в качестве энергетического топлива 67

3.2.4 Применение горных пород терриконов в производстве строительных материалов 69

3.3 Технология производства строительной керамики 72

3.4 Технологическая схема производства строительной керамики с применением горных пород терриконов 77

3.5 Выводы 79

ГЛАВА 4. Технический эффект от применения горных пород терриконов в промышленности на примере строительной керамики 81

4.1 Основные физико-механические свойства строительной керамики с применением горных пород терриконов 81

4.2 Микроструктура и минеральный состав строительной керамики с применением горных пород терриконов 95

4.3 Определение теплопроводности, радиационный контроль, исследование на образование высолов 99

4.4 Выводы 101

ГЛАВА 5. Эколого-экономический эффект от применения горных пород терриконов в промышленности на примере производства строительной керамики 103

5.1 Жизненный цикл строительной керамики 104

5.2 Экспертная оценка 111

5.3 Экономический эффект 113

5.4 Внедрение 117

5.5 Выводы 118

Заключение 119

Список литературы

• Способы снижения геоэкологической техногенной нагрузки, формируемой терриконами
• Технические решения по консервации терриконов
• Применение горных пород терриконов как сырья в металлургии
• Микроструктура и минеральный состав строительной керамики с применением горных пород терриконов

Введение к работе

Актуальность темы исследования. Работа предприятий в угледобывающей промышленности неразрывно сопряжена с образованием отходов, большая часть которых складируется на поверхности в виде терриконов. Объемы угольно-породных терриконов, накопленных за годы работы предприятий, весьма существенны и продолжают увеличиваться. На территории Российской Федерации в терриконы ежегодно поступает около 50 млн. м³ горных пород, извлеченных на поверхность попутно с углем, а их общее количество в настоящее время превысило 2000. Они занимают потенциально полезные территории, тем самым исключая их из хозяйственного оборота, а также оказывают негативное влияние на экологическую обстановку угледобывающих районов, обусловленное загрязнением прилегающих территорий в результате водных и ветровых эрозионных процессов. Для большинства угледобывающих регионов негативное воздействие терриконов сохраняется и на постэксплуатационном этапе, так как использование накопленных в них пород носит незначительные масштабы, а проводимые мероприятия по рекультивации не исключают полностью эмиссию загрязняющих веществ в сопряженные с ними природные геосистемы. Это касается и основного объекта исследований – Кизеловского угольного бассейна (КУБ), где, несмотря на закрытие всех угольных шахт, негативное воздействие сформировавшихся терриконов фиксируется и в настоящее время.

Негативные экологические эффекты, создаваемые терриконами, определяют актуальность поиска путей снижения техногенной геоэкологической нагрузки на окружающую среду от их воздействий. Известные методы снижения степени негативного влияния терриконов на окружающую среду, такие как рекультивация отвалов из отходов угледобычи и заполнение выработанных пространств шахт закладочными материалами с применением горных пород, складированных в терриконах, накладывают существенные обременения на экономическую составляющую добычи угля. При этом не в полной мере или вовсе не используется ресурсный потенциал, заложенный в терриконах, несмотря на то, что отходы угледобычи близки по своему химическому и минералогическому составу к сырьевым природным материалам, используемым при производстве ряда целевых продуктов, в том числе строительных материалов.

Применение горных пород терриконов для получения целевых продуктов с малой добавленной стоимостью, таких как щебень, песок, бетон и др., при относительно низких ценах аналогичных продуктов, полученных из первичных сырьевых материалов, в настоящее время экономически непривлекательно. При этом в технологических процессах не задействуется энергетический потенциал угольных включений, содержащихся в горных породах терриконов. С данной точки зрения использование отходов угледобычи в производстве строительной керамики, где угольные частицы, выгорая при обжиге, позволят достичь экономии традиционных энергоносителей, является технически и экономически более

обоснованным. Варьируя соотношение сырьевых компонентов можно получить высококачественные стеновые материалы с заданными свойствами и высокой добавленной стоимостью, востребованные на рынке.

Производство на основе отходов угледобычи целевых продуктов позволит комплексно решить проблему терриконов угледобывающих предприятий путем вовлечения складированных в них горных пород в ресурсный цикл и обеспечить приемлемый уровень геоэкологической безопасности территорий в зоне их возможного негативного влияния.

Работа выполнена в рамках государственных программ Российской Федерации «Охрана окружающей среды» и «Воспроизводство и использование природных ресурсов» на 2012 – 2020 годы, а также стала победителем программы «Участник молодежного научно-исследовательского конкурса» («У.М.Н.И.К.») и отмечена грантом на выполнение научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ (договор №3 с ООО «Центр перспективных технологий» от 12.10.2010).

Степень разработанности. В настоящее время достаточно полно исследована проблема негативного влияния терриконов угледобывающих предприятий на окружающую среду в местах их размещения. Многими авторами, такими как Антониновой Н.Ю., Качуриным Н.М., Максимовичем Н.Г., Солнцевой Н.П., Юдовичем Я.Э. и др., освещен вопрос негативных экологических эффектов, формируемых терриконами. При этом не до конца изученными остаются вопросы установления зависимостей степени негативного влияния терриконов от их технических и экологических параметров, что затрудняет принятие оптимальных решений о проведении рекультивационных и иных природоохранных мероприятий.

Среди известных способов сокращения масштабов негативного воздействия угольно-породных терриконов на окружающую среду наиболее эффективным и радикальным считается использование пород данных объектов в различных отраслях промышленности. Большой вклад в развитие исследования возможности использования горных пород терриконов в качестве техногенного сырья внесли Абдрахимов В.З., Баталин Б.С., Буравчук Н.И., Воробьев А.Е., Книгина Г.И. и др. Наилучший технико-экономический результат может быть получен при комплексном использовании ресурсного потенциала отходов угледобычи с учетом энергетической составляющей угольных частиц, содержащихся в них. Одной из подобных технологий является производство строительной керамики с использованием горных пород терриконов. Вопросы установления зависимостей изменения свойств строительной керамики, произведенной из сырьевых композиций с участием отходов угледобычи, от соотношения компонентов ранее не рассматривались.

Цель диссертационной работы: обоснование рационального использования ресурсного потенциала терриконов для достижения приемлемого уровня геоэкологической безопасности в угледобывающих районах.

Идея работы состоит в оценке терриконов как техногенных месторождений и источников негативных экологических эффектов, в ранжировании терриконов по степени негативного влияния на окружающую среду в зависимости от их основных технических и экологических параметров и в разработке экологически безопасных технологий использования их ресурсного потенциала в целях снижения техногенной геоэкологической нагрузки.

Задачи исследований:

1. Анализ состояния проблемы негативного влияния терриконов на
экологическую ситуацию в угледобывающих районах и существующих способов
снижения данного влияния до приемлемого уровня на примере Кизеловского
угольного бассейна.

2. Разработка технических решений по снижению техногенной нагрузки,
формируемой терриконами, и сохранению их ресурсного потенциала методом
консервации на период отложенного спроса.

1. Оценка, анализ и выбор наиболее приоритетных технологий производства целевых материалов с использованием горных пород, складированных в терриконах угледобывающих предприятий.

2. Разработка технологической схемы производства строительной керамики с частичной заменой первичных материалов в составе сырьевых композиций горными породами терриконов, как одного из приоритетных целевых материалов. Исследование физико-механических свойств и структуры полученной по данной технологической схеме строительной керамики.

5. Определение технического и эколого-экономического эффектов от
применения отходов угледобычи в производстве строительной керамики.
Осуществление опытно-промышленного внедрения предложенной
технологической схемы производства строительной керамики с применением
отходов угледобычи.

Методология и методы исследования. Использованы методы натурных наблюдений, экспертных оценок, стандартные методы исследования физико-механических свойств, метод радиационного контроля, математическое планирование эксперимента и обработка его результатов, методы рентгенофазового, химического и термогравиметрического анализа.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Способ ранжирования терриконов угледобывающих предприятий по степени негативного влияния на окружающую среду, основанный на оценке их технических и экологических параметров: формы, наличия перегоревших пород, времени отсыпки, воздействия стоков кислых вод постоянного или периодического действия и др.

2. Технические решения по консервации терриконов, позволяющие сохранить их ресурсный потенциал на период отложенного спроса и обеспечить приемлемый уровень геоэкологической безопасности за счет предотвращения контакта с агрессивными природными факторами, которые приводят к физическим потерям

массы горных пород и снижению важных потребительских свойств ее компонентов в результате трансформации под воздействием негативных физико-химических и биохимических процессов, инициированных проникновением воды, кислорода и микроорганизмов в тело терриконов.

3. Технологическая схема производства строительной керамики методом пластического формования с частичной заменой первичных сырьевых компонентов горными породами терриконов угледобывающих предприятий, обеспечивающая повышение ее эксплуатационных характеристик.

Обоснованность научных положений и достоверность результатов

достигается представленным объемом экспериментальных исследований, выполненных с применением сертифицированного оборудования и с привлечением высококвалифицированного персонала, а также обусловлена применением адекватного научной практике исследовательского и аналитического аппарата.

Научная новизна:

3. Показано, что степень негативного влияния терриконов угледобывающих предприятий на окружающую среду зависит от соотношения их технических и экологических параметров, которые определяют очередность проведения необходимых природоохранных мероприятий.

4. Впервые научно обоснован метод консервации терриконов, позволяющий не только обеспечить приемлемый уровень геоэкологической безопасности, но и сохранить терриконы как техногенные месторождения с их ресурсным потенциалом на период отложенного спроса.

3. Установлены зависимости изменения физико-механических свойств
строительной керамики от количества введенных в состав сырьевых композиций
отходов угледобычи и происходящие при этом структурные изменения в
полученных керамических изделиях.

Личный вклад автора. При непосредственном участии автора произведена постановка задач, выполнены теоретические и экспериментальные исследования, анализ и обработка полученных данных. Все научные результаты, вынесенные на защиту, получены автором лично.

Теоретическая и практическая значимость работы:

5. На примере терриконов Кизеловского угольного бассейна выполнено их ранжирование по степени негативного влияния на окружающую среду с целью определения очередности выполнения природоохранных мероприятий.

6. Предложены технические решения по консервации угольно-породных терриконов, исключающие проникновение в тело террикона атмосферных осадков и кислорода, включающие в себя устройство водного дренажа и систему пассивной дегазации, укладку гидроизоляционного материала.

7. Разработана и внедрена технологическая схема производства строительной керамики с применением отходов угледобычи, позволяющая получать изделия с маркой по прочности до М200, по морозостойкости до F50, при снижении

плотности изделий до 1500 кг/м³ по ресурсосберегающей, энергоэффективной, экологически безопасной технологии.

Внедрение результатов исследования:

8. Разработаны технические условия «Кирпич керамический на основе отходов угледобычи» ТУ-5759-001-36432382-2015, утвержденные ОАО «Меакир».

9. Произведен выпуск опытно-промышленной партии строительной керамики на предприятии по производству строительных керамических материалов ОАО «Меакир» по предложенной технологической схеме.

10. Разработаны технические условия «Материал на основе отходов угольной промышленности для промежуточной изоляции слоев твердых коммунальных отходов на полигоне» ТУ 0320-001-02069065-2015, утвержденные ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет» и рекомендованные к использованию предприятиям, занимающимся эксплуатацией полигонов ТКО на смежных с терриконами территориях.

11. Составлены технические рекомендации ТР-001-16 по консервации терриконов угледобывающих предприятий, утвержденные ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет».

12. Теоретические положения работы и результаты исследований внедрены в учебный процесс в Пермском национальном исследовательском политехническом университете при изучении дисциплин «Экология», «Биотехнологические методы утилизации и переработки твердых бытовых и промышленных отходов», «Промышленная экология».

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на конференциях, семинарах, конкурсах: Международной научно-технической конференции «Ресурсо- и энергосберегающие технологии и оборудование, экологически безопасные технологии» (Минск, 2010); Научно-практической конференции строительного факультета ПГТУ «Строительство. Архитектура. Теория и практика» (Пермь, 2010); В рамках программы «Участник Молодежного Научно-Инновационного конкурса» (Пермь, 2011, 2012); В рамках конкурса студенческих инновационных проектов «Большая разведка» (Пермь, 2011); Международной научно-практической конференции «Актуальные направления фундаментальных и прикладных исследований» (Москва, 2013); Международной научно-практической конференции «Инновационные процессы в исследовательской и образовательной деятельности» (Пермь, 2014), Всероссийской научно-практической конференции «Экология и научно-технический прогресс. Урбанистика» (Пермь, 2015), II Международной научной конференции «От обращения с отходами к управлению ресурсами» (Пермь, 2015), Международной научно-практической конференции «Модернизация и научные исследования в транспортном комплексе (Пермь, 2016).

Публикации. Основные результаты работы по теме диссертации опубликованы в 11 печатных работах, из них 8 – в изданиях, входящих в перечень рецензируемых научных изданий ВАК Российской Федерации. Получены патенты

на изобретения №2549636 "Сырьевая смесь для получения керамического кирпича полусухого формования" и №2568458 "Сырьевая смесь для изготовления керамического кирпича методом полусухого формования", зарегистрированные в государственном реестре изобретений РФ от 01.04.15 и 19.10.15 соответственно.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 160 страницах текста, состоит из 5 глав, списка литературы из 104 наименований, включает 39 рисунков, 24 таблицы и 8 приложений.

Способы снижения геоэкологической техногенной нагрузки, формируемой терриконами

Терриконы, образованием которых сопровождается процесс добычи угля, на протяжении многих десятилетий являются неизменной составляющей техногенных ландшафтов угледобывающих районов. Они представляют собой плоские, конические или хребтовидные отвалы из горных пород, объемы образования которых зависят от горно-геологических условий при разработке угольных месторождений, объемов и технологии добычи угля.

Вопрос оценки негативных экологических эффектов, возникающих от терриконов, освещен в работах Абдрахимова В.З., Антониновой Н.Ю, Бачурина Б.А., Воробьева А.Е., Выборова С.Г., Горовой А.И., Зубовой Л.Г., Качурина Н.М., Кизильштейна Л.Я., Красавина А.П., Кононенко Н.А., Левкина Н.Д., Макаришиной Ю.И., Максимовича Н.Г., Мещанинова Ф.В., Павличенко А.В., Потапова В.П., Проскурни Ю.А., Силина А.А., Солнцевой Н.П., Трубецкого К.Н., Харионовского А.А., Харченко В.В. Юдовича Я.Э. и др. [6, 20, 21, 36, 41, 52, 53, 54, 56, 57, 59, 79, 93, 98, 102]. Анализ состояния проблемы показал, что терриконы являются объектами загрязнения и засорения сопряженных с ними природных геосистем. При этом в зону негативного влияния зачастую попадают селитебные территории.

Одной из причин негативного влияния терриконов на геоэкологическую ситуацию в районах их расположения является ветровая эрозия [83]. При отсыпке отвалов происходит гравитационная сегрегация породы, в результате которой концентрация крупных и тяжелых обломков наблюдается у подножья отвалов, а более мелкие фракции остаются в средней части и у вершины [71]. В свою очередь, эоловые процессы приводят к выдуванию и развеиванию мелкой фракции горных пород. При этом наибольшее воздействие ветра характерно именно для верхней трети отвала. Попадая в поверхностные слои прилегающей к терриконам почвы, мелкие частицы ее засоряют и загрязняют. Они не только оказывают механическое воздействие, препятствуя произрастанию растительности, но и под влиянием влаги, попадающей в почву с осадками, вступают в физико-механические и химические реакции. Негативными последствиями таких реакций является деградация растительного слоя, а иногда и его полное уничтожение.

Под воздействием атмосферных осадков шахтные отвалы в значительной степени подвержены водной эрозии. Результатом этого является вынос в окружающую среду горных пород. С одного гектара поверхности терриконов ежегодно может смываться до 900 м3 породы. Водная эрозия на терриконах зачастую вызвана тем, что без проведения мероприятий по рекультивации на них затруднено произрастание растительности. Происходит разделение частиц по крупности, и более мелкие частицы вымываются и выносятся на близлежащие к терриконам территории. Временные водные потоки, образующиеся на склонах шахтных отвалов, попадают на прилегающие к ним территории, при этом происходит эрозия почв, приводящая к разрушению плодородного слоя, засорению и загрязнению.

В угледобывающих районах формируются такие техногенно-геохимические системы, как горные породы терриконов – грунт – подземные воды. В данных системах происходит развитие различных физико-химических процессов, которые существенным образом могут изменить состав подземных вод, воздействовать на инженерные сооружения, привести к активизации или развитию карста, оползней, неравномерных осадок [104].

Терриконы, наряду с технологическими процессами добычи и переработки угля, промышленными и коммунально-бытовыми котельными, являются одним из основных источников загрязнения атмосферного воздуха угледобывающих районов. Часть терриконов с течением времени подвергается самовозгоранию. Ввиду высокого содержания в них угольных частиц, количество которых достигает 30% в пересчете на весь объем складированных в терриконе горных пород, случаи самовозгорания встречаются довольно часто [62]. В ходе процессов горения и тления цвет горных пород, складированных в терриконах, изменяется с черного на красно-кирпичный. Подобное изменение цвета дало общепринятые названия горным породам, складированным в терриконах: «черными» именуют негорелые горные породы, а «красными» – горелые.

Помимо прочего, терриконы являются источниками пылеобразования, а горящие терриконы – крупными источниками парогазовых выбросов. В основном это водяной пар, который образуется при испарении и возгонке попадающих в зону горения атмосферных осадков, а также при высвобождении поровой и связанной воды минералов и пород. Однако, наряду с водными парам выделяются и вредные вещества [92, 94, 99]. С одного квадратного метра горящего террикона в сутки поступает в атмосферу 10,7 кг оксида углерода, 6,3 кг сернистого газа, 0,6 кг сероводорода и оксидов азота и ряда других токсичных компонентов [75]. При недостатке кислорода в очагах горения, в парогазовых выбросах содержатся сероводород, углеводороды, аммиак. Горение может протекать как в условиях избытка кислорода в верхних слоях горных пород, куда кислород попадает с инфильтрационными водами, так и в анаэробных условиях в более глубоких слоях. В атмосферный воздух при горении терриконов также выбрасывается значительное количество продуктов неполного сгорания углеродосодержащих компонентов в виде недожога. Очевидно, что шахтные отвалы ухудшают санитарное состояние городов и поселков угледобывающих районов. В их воздушных бассейнах можно наблюдать превышения предельно допустимой концентрации по пыли, по сернистому ангидриду, по окиси углерода, по сероводороду, по двуокиси азота. Разнос вредных веществ от терриконов по розе ветров достигает трех километров. При этом состояние атмосферного воздуха является одним из первостепенных факторов, влияющих на здоровье населения. В районах расположения терриконов наблюдается повышенное число заболеваний органов дыхания среди взрослого и детского населения [29].

Технические решения по консервации терриконов

Количество терриконов, расположенных в настоящее время в угледобывающих районах, велико, а заложенный в них ресурсный потенциал является недооцененным. С учетом роста потребления минеральных сырьевых ресурсов в различных отраслях народного хозяйства страны и, в особенности, в строительстве [84], при постоянном увеличении стоимости добычи первичных ресурсов [18], горные породы, складированные в терриконах имеют перспективы быть высоко востребованными в недалеком будущем в качестве экономически доступного конкурентоспособного техногенного материала. Все это определяет актуальность консервации терриконов, которая позволит не только сократить их негативное влияние на окружающую среду, но и сохранить их ресурсный потенциал. В дальнейшем, с преобразованием отложенного спроса в реальный, разработка терриконов в целях получения из горных пород, складированных в них, целевых продуктов позволила бы окончательно решить данную проблему.

Основным отличием консервации терриконов от рекультивации является сохранение их как техногенных месторождений. При этом ресурсный потенциал терриконов остается сохраненным за счет предотвращения их контакта с агрессивными природными факторами, которые приводят не только к физическим потерям массы горных пород терриконов в результате ветровой и водной эрозии, но и к снижению важных потребительских свойств ее компонентов в результате трансформации под воздействием негативных физико-химических и биохимических процессов, инициированных проникновением воды, кислорода и микроорганизмов в тело терриконов, описанных в [61].

Учитывая значительные объемы денежных средств, требующихся на проведение как рекультивации, так и консервации терриконов, затраты на данные виды работ следует предусматривать при построении финансовой модели работы угледобывающего предприятия. Одним из возможных путей решения данного вопроса является финансирование проектов по рекультивации или консервации терриконов, с дальнейшим получением из складированных в них горных пород целевых продуктов, за счет фонда устойчивого развития (ликвидационного фонда) угледобывающего предприятия [70].

Проведенные исследования позволили предложить метод и комплекс технических решений по консервации терриконов. Консервация терриконов представляет собой ряд последовательно проводимых технических мероприятий по подготовке и созданию конструкции террикона, обеспечивающей сохранение ресурсного потенциала и приемлемый уровень геоэкологической безопасности в районе его расположения. В общем виде конструкция террикона, на котором проведены работы по его консервации, представлена на рисунке 2.1.

Конструкция террикона, подвергшегося консервации. 1 – тело террикона, 2 – гидроизоляционный слой, 3 – газо-дренажный слой, 4 – разделительный геотекстильный материал, 5 – водно-дренажный слой, 6 – защитный слой грунта Работы по консервации начинаются с выполаживания поверхности и откосов тела террикона 1 с уборкой мусора, захоронением негабаритов. Затем создаются системы: гидроизоляции для исключения проникновения в тело террикона атмосферных осадков 2, газового дренажа для пассивной дегазации образующихся в теле террикона газов 3 с разделительным слоем из геотекстильного материала 4, водного дренажа для отвода атмосферных осадков, попадающих на поверхность гидроизоляционного материала 5, защитного слоя грунта над гидроизоляционным слоем 6.

Для повышения эффективности работы дренажных систем создается разуклонка ( 3%) на поверхности террикона. Спланированная поверхность террикона перекрывается разделительным геотекстильным материалом. Над ней проводится монтаж системы газового дренажа для пассивной дегазации тела террикона. Учитывая особую важность обеспечения работоспособности системы пассивной дегазации, газовый дренаж выполняется из дренажного щебня или гальки фракции 20 – 40 мм толщиной 0,3 метра с его покрытием иглопробивными неткаными геотекстильными материалами, обладающими высокой пропускной способностью и долговечностью. Подобные геотекстильные материалы способны защитить чувствительные к повреждениям материалы с пониженной влагопроницаемостью (гидроизоляционный слой), которые укладываются поверх газо-дренажного слоя, от механических воздействий дренажного щебня. Поверх гидроизоляционного слоя укладывается дренажный слой, необходимый для отвода атмосферных осадков. Гидроизоляционный экран необходимо защитить сверху слоем из грунта, толщина которого должна быть не менее 1 метра с тем, чтобы корни растений, произрастающих в нем, не достигали гидроизоляционного материала и не разрушали его.

В процессе хранения отходов угледобычи возможно образование газов в теле террикона, особенно при активизации биохимических процессов и горения. Горные породы, попавшие на поверхности в иную, нежели чем в недрах, термодинамическую обстановку, становятся в водно-воздушных условиях неравновесными и подвергаются физико-химическим и биохимическим преобразованиям. Рыхлый углесодержащий материал отходов угледобычи под воздействием атмосферной влаги и кислорода интенсивно окисляется вплоть до самовозгорания. Общей причиной самовозгорания углей, горючих пород почвы, кровли и межугольных прослоев является способность адсорбировать кислород, вступающий в химическое взаимодействие с потенциально горючим веществом. Такой процесс сопровождается выделением тепла и повышением температуры, что еще более усиливает процессы окисления [67].

Склонностью к самонагреванию и самовозгоранию в водно-воздушной среде обладают горные породы углисто-глинистого состава, имеющие повышенную пористость, а также относительно высокое содержание серы и железа (в виде пирита и марказита). Разложение пирита и других сульфидов происходит не только в результате химического взаимодействия этих минералов с агентами выветривания, но и при широком участии постоянно присутствующих в поверхностной зоне свободного водообмена тионовых бактерий Thiobacillus ferrooxidans [33, 34]. Вследствие подкисления среды до рН 3,5 и образования серы при химическом окислении пирита создаются благоприятные условия для жизнедеятельности микроорганизмов, которые вызывают деструкцию сульфидов и окисляют сульфидную серу до сульфат-ионов. При температуре, близкой к кипению воды, микроорганизмы прекращают свою жизнедеятельность и с этого момента в горных породах протекают процессы, обусловленные химическими реакциями.

Для исключения накопления образующихся при этих процессах в теле террикона, прошедшего процедуру консервации, газов до пожаро- и взрывоопасных количеств необходимо устраивать системы пассивной дегазации для удаления газа в атмосферу. Системы активной дегазации для терриконов не актуальны ввиду незначительных объемов образования газов. С учетом малых объемов образования газов, достаточным является их отвод посредством устройства вытяжных труб, расстояние между которыми определяется расчетным методом для каждого отвала индивидуально. По проведенным оценкам, это расстояние, в большинстве случаев, составляет свыше 50 метров. Важным элементом вытяжных труб является обратный клапан, исключающий доступ наружного воздуха в тело террикона, но позволяющий выходящим газам беспрепятственно попадать в атмосферу. Устройство вытяжной трубы (узел А) показано на рисунке 2.2.

Применение горных пород терриконов как сырья в металлургии

Высокий ресурсный потенциал отходов угледобычи позволяет получить с их применением значительное количество различных строительных материалов. Данный способ переработки горных пород, складированных в терриконах угледобывающих производств, возможно оценить как высокоперспективный в силу относительно высокой добавленной стоимости получаемых конечных целевых продуктов, что является важным в условиях рыночный экономики.

Щебень, получаемый из горных пород терриконов, отличается от своих традиционных аналогов относительно невысокой себестоимостью ввиду отсутствия необходимости проведения дорогостоящих вскрышных работ. Марка щебня по прочности, получаемого из отходов угледобычи, не превышает М800, что исключает возможность его применения при строительстве ответственных объектов. Данный щебень может быть использован, в первую очередь, в дорожном строительстве, а также при устройстве фундаментов и ограждающих конструкций малоэтажных зданий и сооружений в качестве заполнителя для бетонной смеси.

Возможность применения отходов угледобычи в качестве активной минеральной добавки обусловлена их пуццолановой активностью [49]. Установлено, что пуццолановая активность отходов угледобычи является следствием наличия в них следующих активных компонентов: Алюминатного - дегидратированных глинистых минералов (метакаолинит АЬОз2SiOг) и активного глинозема -АЬСЬ; Кремнеземистого - растворимого кремнезема SiOh; Железистого - растворимого БегОз [23, 47, 73]. Данные активные вещества могут вступать в реакции следующих типов: АІ20з2SiO2+2Са(ОН)2+nН2O CaO АЬОз2SiOг nНгО (3.1) -АЬОз+Са(ОН)2+nН2O CaOАЬОз nНгО (32) Si02+nCa(OH)2+mH2O nCa0 2SiO2 pH20 (33) mСаОАЬОз nНгО + pSi02+Fe203 m CaO(Al,Fe)203pSi02nH20 (3.4) Из формулы (3.4) следует, что железистые оксиды проявляют активность только в присутствии других активных компонентов, вступая в реакции с гидроалюминатами кальция и растворимым кремнеземом с образованием гидрогранатов. Как правило, содержание БегОз в отходах угледобычи невелико, поэтому их активность чаще всего носит алюминатный характер, а продукты взаимодействия отходов угледобычи со свободной известью представляют собой гидроалюмосиликаты и гидроалюминаты кальция.

Таким образом, горные породы, складированные в терриконах, имея достаточную, а порой и высокую гидравлическую активность, обладают скрытыми гидравлическими свойствами, выявляющимися в смеси с известью, цементом и прочими вяжущими веществами. При этом составные части смеси должны иметь высокую удельную поверхность, т.е. быть тонко измельчены, так как цементирующие новообразования проявляются в результате коллоидно-адсорбционных явлений, обуславливающих схватывание и твердение, ускоряемое гидротермальной обработкой [9].

Известно о возможности переработки отходов угледобычи методом агломерации [72]. Их подвергают дроблению до фракции 0-3 мм и усреднению. Затем они увлажняются водой и перемешиваются в барабанном или шнековом смесителе для получения подготовленной к спеканию шихты, после чего подвергаются агломерации – спеканию на агломерационной машине. Углерод, содержащийся в горных породах терриконов, служит топливом в процессе спекания материалов. Готовый продукт спекания представляет собой аглопорит. В зависимости от дальнейшего его использования он может подвергаться различным видам дробления и измельчения.

Отходы угледобычи могут рассматриваться в качестве сырья для петрургической промышленности (каменного литья) [76]. Расплавляя горные породы терриконов с различными технологическими добавками и выливая затем расплавленную массу в формы с последующей кристаллизацией, можно получить строительные литые изделия любой формы. При этом можно регулировать в некоторых пределах цвет изделия, его плотность и пористость. Процесс производства литых каменных изделий заключается в следующем. Сырье расплавляют при температуре 1350 - 1500 С. После некоторого охлаждения расплавленную массу выливают в формы, изготовленные из огнеупорной глины или штампуют; трубы изготавливают центрифугированием. В расплавленную массу можно закладывать металлическую арматуру. Отлитые изделия подвергают термической обработке (кристаллизации) при температуре 900 - 950С в течение 1,5 - 2,5 часов, а затем медленно охлаждают.

Микроструктура и минеральный состав строительной керамики с применением горных пород терриконов

Одной из статей расходов угледобывающих предприятий является плата за размещение отходов угледобычи в окружающей среде. В настоящее время в России для отходов в соответствии с приказом Министерства природных ресурсов Российской Федерации и экологии от 04.12.2014 г. № 536 «Об утверждении Критериев отнесения отходов к I - V классам опасности по степени негативного воздействия на окружающую среду» установлено 5 классов опасности. В подавляющем большинстве случаев отходам угледобычи в результате оценки степени их негативного воздействия на окружающую среду присваивается V класс опасности, гораздо реже – IV [14, 22].

В соответствии с постановлением Правительства РФ от 12.06.2003 N 344 (ред. от 24.12.2014) "О нормативах платы за выбросы в атмосферный воздух загрязняющих веществ стационарными и передвижными источниками, сбросы загрязняющих веществ в поверхностные и подземные водные объекты, в том числе через централизованные системы водоотведения, размещение отходов производства и потребления", при условии соблюдения установленных лимитов размещения отходов норматив платы за размещение 1 тонны отходов V и IV классов опасности в добывающей промышленности составляет 0,4 рубля и 248,4 рубля соответственно.

Следует отметить, что данным нормативным документом предусмотрено применение коэффициента 0 к плате за размещение отходов при их размещении в соответствии с установленными требованиями отходов, подлежащих временному накоплению и фактически использованных (утилизированных) в течение 3 лет с момента размещения в собственном производстве в соответствии с технологическим регламентом или переданных для использования в течение этого срока. Использование отходов угледобычи при производстве строительной керамики можно считать их фактической утилизацией.

Вовлечение в производство отходов угледобычи в размере 6273,6 тонн (годовой расход для завода по производству строительной керамики производительностью 7 млн. шт. кирпича в год при процентном содержании отходов угледобычи 30% в составе сырьевой смеси) позволит сократить плату за размещение отходов угледобычи в окружающей среде на 2 509 рублей при отнесении отходов угледобычи к V классу опасности и на 1 558 362 рубля – к IV.

Таким образом, применение горных пород, складированных в терриконах, при производстве строительной керамики позволяет не только достичь положительного экономического эффекта непосредственно в ходе технологических операций за счет сокращения затрат на сырье и энергоресурсы, но и снизить плату угледобывающих предприятий за размещение отходов в окружающей среде.

По совокупности данных затраты на производство единицы продукции при применении отходов угледобычи могут снижаться до 38% по сравнению с базовыми затратами по статьям расходов на сырьевые материалы и энергоносители. При этом экономический эффект на 1000 кирпичей составит 177 рублей. В пересчете на годовую производительность 7 млн. шт. кирпича формата 1НФ экономический эффект составит 1 236 700 рублей.

Результаты диссертационной работы в части применения отходов угледобычи при производстве строительной керамики получили опытное внедрение на заводе ОАО «Меакир» в г. Березники Пермского края. Результаты внедрения подтверждены актом о внедрении в производство строительной керамики (кирпича формата 1НФ) с применением отходов угледобычи, представленным в приложении Е.

Внедрение в производство было произведено после разработки и утверждения соответствующих технических условий «Кирпич керамический на основе отходов угледобычи» ТУ-5759-001-36432382-2015 (приложение Ж).

Данные технические условия распространяются на керамический кирпич, изготавливаемый с применением отходов угледобычи, а также устанавливают требования к качеству продукции. В разработанных технических условиях описаны область применения, нормативные ссылки, термины и определения, технические требования, требования безопасности и охраны окружающей среды, правила приемки, методы контроля, транспортирование и хранение, указания по эксплуатации, гарантии производителя.

По результатам производственных испытаний было проведено опытное применение строительной керамики, произведенной с добавлением в состав сырьевой смеси отходов угледобычи по предложенной технологической схеме, при проведении работ по возведению хозяйственной постройки в д. Кулики Култаевского сельского поселения Пермского района Пермского края. Количество изготовленных в качестве опытной партии керамических кирпичей формата 1НФ составило 5500 штук. Количество использованных изделий составило 5070 штук.

Теоретические положения работы и результаты исследований внедрены в учебный процесс в Пермском национальном исследовательском политехническом университете при изучении дисциплин «Экология», «Биотехнологические методы утилизации и переработки твердых бытовых и промышленных отходов», «Промышленная экология». Результаты внедрения подтверждены актом о внедрении результатов диссертационной работы, представленным в приложении З.