Введение к работе
Актуальность работы
Задача рационального размещения отходов добычи и переработки минерального сырья является важным элементом в структуре управления при-родио-тёхнической системой горнопромышленных предприятий. В настоящее время в целом по стране утилизируется не более 5-10 % отходов в различных отраслях строительства и промышленности. Оставшееся количество хранится в отвалах без использования. Рост числа разрабатываемых месторождений, развитие производства и потребительского рынка диктует дальнейшее увеличение количества складируемых отходов.
Постоянное накапливание отходов горного производства приводит к отторжению значительных территорий и формированию огромных складированных, искусственно созданных минеральных масс, образующих техногенные месторождения. За многолетний период использования сырьевых ресурсов края накоплено свыше 840 млн. т. складируемых отходов. Общая площадь отторжения земель составляет более 4.0 тыс. га, из них 1285,1 га приходится па площадь всех хвостохрапилищ. Токсичные отходы горного производства, которые размещены па территории Забайкальского края, содержат 133,5 тыс. г синица, около 4,5 тыс. т мышьяка, 192,3 тыс, т цинка, 146 тыс. т серы, 690 т висмута, около 480 т кадмия, 24,0 тыс. т молибдена. Наличие этих химических соединений, находящихся в поверхностных хранилищах, предопределили их как экологически опасные, относящиеся-к Первому классу опасности. Наибольшую опасность представляют хвостохрапилища, которые находятся в непосредственной близости от рудничных поселков. В этой связи проектирование объектов горнопромышленного комплекса должно проводиться с учетом минимального негативного воздействия складируемых отходов на окружающую среду.
В мировой научной теории и практике исследованием экологических последствий антропогенного воздействия начали активно заниматься с 60-\ годов прошлого века. Большой вклад в решение экологических проблем при развитии минерально-сырьевого комплекса в пашей стране внесли академики В.И.Вернадский, К.П.Трубецкой, В.И.Осипов, К.П.Лаекорин, МИ.Лгошкоп, доктора технических паук П.В.Демин, М.ІІІ Іевзпер, JI.Л.Карский, В.П.Мязин и др. Некоторые аспекты моделирования размещения отходов минерального сырья затронуты в работах Г.И.Марчука, В.И.Кузина, Л.К.Ллояиа. Однако для всесторонней оценки вариантных схем рационального размещения отходов потребовалась разработка обобщенного критерия, позволяющего учитывать совокупность взаимосвязанных, экологических, технологических и социально-экономических факторов. Кроме того с развитием информационных технологий возникает необходимость создания механизма обоснованного принятия решения по рациональному размещению отходов па основе геоип-формационпого моделирования. В настоящее время не существует унифицированных программных средств для специализированного геоэкологического анализа, отсутствует единая методика построения теоретически обосновап-
иых и хорошо согласующихся с реальными данными вычислительных моделей. Решению этой актуальной научно-практической задачи посвящена диссертация.
Объект исследования - складируемые отходы добычи и переработки минерального сырья горнопромышленного комплекса (Дарасунский рудник).
Предмет исследования - критерии оценки и методики геоинформационного моделирования рационального размещения отходов горнопромышленного производства.
Основная идея работы заключается в системном подходе к изучению влияния отходов горнопромышленного комплекса на компоненты системы «человек - окружающая природная среда».
Целью работы является разработка критериев геоинформационного моделирования рационального размещения отходов горнопромышленного комплекса.
Задачи исследования:
Обоснование и разработка обобщенного критерия для оценки оптимальности вариантных схем размещения отходов на основе анализа образования и накопления отходов и их влияния на компоненты окружающей природной среды.
Разработка модели протекания аварийных ситуаций на объектах горнопромышленного комплекса для научно-обоснованного принятия решений по рациональному размещению отходов на основе анализа используемых математических моделей.
Разработка методики оптимизации размещения отходов с использованием геоииформациопного моделирования на основе сравнительной оценки используемых программных продуктов и разработанного программного комплекса.
Фактический материал н методы исследований
В диссертационной работе использованы материалы «Проекта реконструкции горно-обогатительных и металлургических производств по добыче золота из запасов руд месторождений Дарасунское, Теремки и Талатуй» (ОАО «Институт Иргиредмет») и «Оценки воздействия на окружающую среду при реконструкции горно-обогатительного производства по добыче золота из запасов руд месторождений Дарасунское, Теремки и Талатуй» (ООО «Экосервис»)
Применен комплекс методов исследований:
определение химического состава руд с использованием рентгеноф-люорисцентного анализа на аппарате PW-I404 фирмы «Филипс»;
минералогический анализ руд с использованием оптических, шлиховых и иммерсионных методов;
определение гранулометрического и минералогического состава пустых пород по материалам НИР филиала ВНИПИгорцветмет;
определение качества шахтных и сточных вод объектов горнопромышленного комплекса (Дарасунский рудник, нос. Вершипо-Дарасунский Читинской области) с использованием химического анализа в лаборатории ФГУ Госсаэпиднадзора Читинской области;
патентно-информационный анализ;
теоретические исследования с применением численных методов прикладной математики, математической статистики, теории принятия решений;
- геоипформационного моделирования на ПЭВМ с использованием
программных продуктов «Атмосфера» (ООО «Интеграл»), ArcGIS (ESR[ Inc),
Oasis Montaj (Geosoft Inc.).
Научные положения, представляемые к защите:
Выбор и обоснование схемы рационального размещения отходов горнопромышленного комплекса базируется на использовании обобщенного критерия оптимальности, учитывающего системную совокупность взаимосвязанных экологических, технологических и социально-экономических факторов.
Геоинформационное моделирование рационального размещения отходов с учетом аварийных ситуаций, основанное на модели бинарной бескоалиционной игры в системе «человек - окружающая среда», позволяет научно обоснованно принимать решения по снижению негативного воздействия на компоненты окружающей природной среды.
Методика рационального размещения отходов горнопромышленного комплекса, основанная на использовании геоинформационных моделей, учитывает (в отличие от известных) набор взвешенных параметров оптимизации с включением экспертных систем для оценки вариантных решений.
Научная новизна работы
Предложен обобщенный критерий оценки вариантных схем размещения отходов горнопромышленного комплекса, позволяющие проводить всесторонний и качественный анализ предложенных схем размещения на базе геоинформационного моделирования с учетом совокупности экологических, технологических и социально-экономических факторов.
Разработана модель бинарной бескоалиционной игры в системе «человек - окружающая природная среда» для учета протекания аварийных ситуаций на объектах размещения отходов, позволяющая улучшить качество моделей за счет учета динамики изменения факторов оптимизации на основе экспертных знаний.
Предложен критерий ожидаемого значения, позволяющий проводить оценку стратегий при реализации модели протекания аварийных ситуаций с возможностью выбора стратегии, исходя из минимизации рисков и оптимизации выполнения природоохранных мероприятий.
4. Разработана методика определения оптимальных схем размещени отходов на основе геоинформационного моделирования и теории принятия решений, предлагающая универсальный подход для решения оптимизацией! ной задачи с произвольным количеством факторов.
Достоверность результатов проведенных исследований, обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в работе, подтверждается:
достаточным объемом экспериментальных данных, обеспечивающих адекватность моделей реальным условиям;
проведением анализов проб в аккредитованных лабораториях Российской Федерации;
удовлетворительной сходимостью результатов полученных интерполяционных моделей с результатами геостатистических методов оценки действующих схем размещения отходов;
апробацией материалов проекта «Оценка воздействия на окружающую среду при реконструкции горно-обогатительного производства по добыче золота из запасов руд месторождений «Дарасун», «Теремки», «Талатуй.
Практическая значимость и реализация результатов работы
Решена многофакторная задача оптимизации размещения отходов, предполагающая учет произвольного числа параметров для описания ограничений проектных схем.
Разработанная структура геоинформационной системы рационального размещения отходов горнопромышленного комплекса представляет собой прототип системы комплексной обработки геоэкологической информации, наиболее важным отличием которого является возможность конструирования экспертной системы самим специалистом-прикладником.
Создан программный комплекс для поиска оптимальных схем размещения отходов с возможностью использования произвольного количества взвешенных критериев оптимизации.
С использованием разработанного программного комплекса даны рекомендации по размещению отходов горнопромышленного производства на территории Дарасунского рудника.
Разработаны методические рекомендации по использованию геоинформационного моделирования в решении задачи оптимального размещения отходов минерального сырья по учебным дисциплинам «Проектирование обогатительных фабрик», а также при написании раздела «Охрана окружающей среды» в курсовых и дипломных проектах, магистерских диссертаций.
Личный вклад автора
-теоретические исследования выбора математических моделей воздействия отходов на компоненты окружающей природной среды и оценка эффективности их применения;
- выполнение математического моделирования с разработкой про
граммных алгоритмов на ПЭВМ;
установление закономерностей, сделанных выводов и рекомендаций на основании проведенного геоинформационного моделирования на горло-промышленном объекте Дарасунский рудник;
участие в качестве соавтора в проекте «Оценка воздействия на окружающую среду при реконструкции горно-обогатителыюго производства по добыче золота из запасов руд месторождений «Дарасун», «Теремки», «Тала-туй»
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждены на научно-технических совещаниях и конференциях: «Неделя Горняка - 2004» (г. Москва, январь-февраль 2004 г.), международная конференция «Плаксинские чтения - 2005» (г. Санкт-Петербург, сентябрь 2005 г.), V конгресс обогатителей стран СНГ (г. Москва, март 2005 г.), конференция «Лео-новские чтения - 2004» (г. Иркутск, июнь 2004 г.), конференция «Леонов-ские чтения - 2006» (г. Иркутск, июнь 2006 г.), Научно-техническая конференция Горного института (г. Чита, апрель 2003 г.).
Публикации.
Основные научные положения выполненных исследований опубликованы в 8 работах (из них в изданиях, рекомендованных ВАК - 3) и в одном учебном пособии. Оформлена заявка на получение свидетельства о регистрации программного средства федеральной службой по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 120 наименования и приложений. Содержит 151 с. машинописного текста, 45 рисунков, 15 таблиц.
Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю, доктору технических наук, профессору, Заслуженному деятелю науки В.П. Мязину за неоценимую помощь на всех этапах подготовки диссертации, доктору геолого-минералогических наук, профессору Ю.В. Павленко за ряд ценных замечаний по содержанию автореферата, кандидату технических наук, зам. директора по научной и инновационной работе, старшему научному сотруднику НИЦИТ Горного института В.И. Мязиной за предоставленный материал и ценные методические рекомендации, а также всему коллективу кафедры обогащения полезных ископаемых и вторичного сырья ЧитГУ за поддержку, помощь в выполнении работы и ее обсуждении.
