Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Аналитический обзор и постановка задач исследований 9
1.1. Эколого-экономическая безопасность угледобывающего региона и комплексная оценка экологического состояния территорий горных отводов отработанных угольных шахт
1.2. Системы экологического мониторинга состояния окружающей среды на территориях горнодобывающих регионов 20
1.3. Физические основы и математические модели движения газов в горном массиве нарушенной структуры 28
Выводы 39
Цель и идея работы. Постановка задач исследований 40
ГЛАВА 2 Воздействие на атмосферу действующих шахт и подработанных территорий горных отводов ликвидированных шахт Кузбасса 42
2.1. Краткая географическая и горно-геологическая характеристика Кузнецкого угольного бассейна
2.2. Воздействие промышленных предприятий на окружающую среду Кузнецкого угольного бассейна 46
2.3. Обеспечение экологической безопасности при консервации подземных горных выработок ООО «Шахта «Киселёвская» 55
2.4. Оценка воздействия техногенных массивов угледобывающих предприятий на атмосферу 68
Выводы 82
Глава 3 Экологический мониторинг территорий горных отводов ликвидируемых шахт Кузбасса 84
3.1. Динамика прогнозных показателей техногенного воздействия подземной добычи угля на окружающую среду .
3.2. Экологические последствия закрытия угольных шахт в Кузбассе 90
3.3. Породные отвалы действующих и ликвидированных шахт, обогатительных фабрик и угольных разрезов 101
3.4. Низкотемпературное окисление угля на поверхности техногенных массивов 106 Выводы 111
ГЛАВА 4 Тепло-массообменные процессы в породных отвалах и метановыделение из выработанных пространств 113
4.1. Физические модели низкотемпературного окисления и самонагревания угля .
4.2. Поглощение кислорода угольными скоплениями на поверхности породных отвалов 1 4.3. Самонагревание угольных скоплений на породных отвалах шахт Кузбасса 127
4.4. Метановыделение на земную поверхность для территорий горных отводов ликвидированных шахт Кузбасса 129
Выводы 135
ГЛАВА 5 Методические положения экологического мониторинга аэрогазодинамических и тепловых процессов при закрытии шахт кузбасса
Заключение 140
Список использованной литературы
- Системы экологического мониторинга состояния окружающей среды на территориях горнодобывающих регионов
- Воздействие промышленных предприятий на окружающую среду Кузнецкого угольного бассейна
- Породные отвалы действующих и ликвидированных шахт, обогатительных фабрик и угольных разрезов
- Метановыделение на земную поверхность для территорий горных отводов ликвидированных шахт Кузбасса
Системы экологического мониторинга состояния окружающей среды на территориях горнодобывающих регионов
К моделям балансового типа относятся разработки, предложенные У. Ай-зардом [49], X. Дейли [43], Р. Айресом и А. Низом [50] их заслуга - в существенном расширении экологической части баланса путем введения дополнительной классификации видов деятельности и продукта, хотя по форме модель еще представляет собой обычную таблицу межотраслевых соотношений. Работы этих авторов отличает строгость математического содержания и стройность теоретических выкладок. Однако они не обеспечены необходимой практической информацией, сбор и дальнейшая обработка которой требуют значительных междисциплинарных исследований и, естественно, широкого временного горизонта, так как накопление необходимой информации осуществляется за длительный период времени. Говоря о возможности прогнозирования воздействия загрязнения окружающей среды и природоохранительной деятельности на экономику с помощью межотраслевого баланса, А. Низ справедливо указывает на ограниченные возможности этого метода, связанные с трудностями учета региональных аспектов природоохранной деятельности, на вариантность технологических способов предотвращения загрязнения и т. п.
Чрезвычайная сложность взаимосвязанных процессов в глобальной системе требует разработки менее формализованных схем моделей, в которых можно адекватно отразить общий ход развития процессов без точных количественных результатов. Это обусловило использование имитационных моделей.
Широко известна среди экономистов модель «Мировая динамика» Фор-рестера [40]. Она является первой попыткой учесть обратную связь - влияние изменений в экономике на характер динамики демографических и социальных процессов. С помощью дифференциальных уравнений автор создает весьма удобную схему, наглядно демонстрирующую все переплетения связей в системе «экономика - окружающая среда». В исходной информации представлены только относительные величины, лишь время и количество населения абсолютны. В то же время модель достаточно груба (система с экспоненциально изменяющимися параметрами неизбежно выходит на границы своей параметрической области) и имеет ряд методологических недостатков, в частности упрощено описание социальных механизмов, не учитывается научно-технический прогресс, не соблюдаются законы сохранения и т. д. Поэтому основные усилия последователей Форрестера направлены на детализацию структуры модели (пример такой работы - модель, описанная в [41]).
Описание и исследование глобальных эколого-экономических моделей имеются в работах советских исследователей, в которых отмечается социально-политическая ограниченность этих моделей [51]. В частности, в модели Меса-ровича и Пестеля используется аналогичный развитию биоценоза экономический рост, по результатам которого выявляется необходимость ограничения национальной независимости слаборазвитых стран и их интеграции с капиталистическими странами в использовании природных ресурсов. Отмечаются такие недостатки моделей, как недоучет влияния факторов научно-технического прогресса [52], отсутствие системного подхода к анализу окружающей природной среды [53].
Разработка научно обоснованных технических средств контроля и мониторинга состояния окружающей среды, развитие методов и средств контроля и управления качеством окружающей среды неразрывно связаны с состоянием территорий горных отводов отработанных угольных шахт. Это состояние определяется интенсивностью нарушения подработанной толщи горных пород от различных предприятий. Фундаментальные и прикладные аспекты экологических последствий подземной угледобычи изучались в Институте проблем комплексного освоения недр РАН, Московском государственном горном университете, Санкт-Петербургском горном институте, Академии горных наук, Тульском государственном университете и других научных школах. Результаты анализа работ ведущих специалистов России по проблемам геоэкологии Трубецкого КН., Шувалова Ю.В., Косова В.И., Захарова Е.И., Кузнецова А.А., Машинцева Е.А., Образцова А.И., Соколова Э.М., Качурина Н.М., Каплунова Д.Р., Русака О.Н., Чаплыгина Н.Н. и др. показали, что необходимо проводить дальнейшие исследования влияния процесса ликвидации угольных шахт на окружающую среду. Особую актуальность эта проблема приобрела в новых экономических условиях, так как планируется активная застройка территорий горных отводов ликвидируемых шахт [1 - 57].
С целью объективной оценки изменения состояния окружающей среды в ходе реструктуризации угледобывающего комплекса Ростовской области и разработки рекомендаций по снижению негативных экологических последствий на территориях ликвидируемых шахт Центром мониторинга продолжена реализация рабочего проекта «Мониторинг социально-экологических последствий ликвидации шахт Восточного Донбасса», утвержденного приказом Росэнерго от 28.08.2008 г. №242.
В третьем квартале 2008 года, согласно проекту, горно-экологический и гидрологический мониторинг осуществлялся на горных отводах 47-ми ликвидируемых шахт и 17-ти малых и больших реках Ростовской области по следующим направлениям: гидрогеологический мониторинг - контроль уровня и скорости затопления шахтными водами выработанного пространства ликвидируемых шахт, подтопления и загрязнения территорий техногенными водами, контроль качества шахтных, грунтовых и поверхностных вод; гидрологический мониторинг - контроль влияния шахтных вод на гидрографическую сеть Ростовской области и гидрохимический режим подземных вод на площадях, находящихся в зонах влияния ликвидируемых шахт Восточного Донбасса;
Воздействие промышленных предприятий на окружающую среду Кузнецкого угольного бассейна
Из общего количества отходов I класса опасности, образованных в 2007 году, с учетом отнесения предприятий к видам экономической деятельности на долю обрабатывающих производств (металлургическое производство и производство готовых металлических изделий) приходится 10,095 тыс. т (63,70 %), на долю предприятий по производству кокса, нефтепродуктов и ядерных материалов - 5,643 тыс. т (35,61 %.)
Основная доля отходов I класса опасности падает на ОАО «Западно-Сибирский металлургический комбинат» - 9,417 тыс. т (93,28 %), в том числе фусы каменноугольные - 9,399 тыс. т и ртутные лампы - 0,013 тыс. т.
Образование отходов II класса опасности для окружающей природной среды составило 13,434 тыс. т. (0,001 % от общего количества отходов, образованных в 2007 году).
Основными видами отходов II класса опасности являются отходы неорганических кислот - 12,218 тыс. т (90,95 % от общего количества отходов II класса опасности), которые на 99,99 % повторно использованы на предприятиях.
Отходы II класса опасности утилизированы на 92,89 %: использованы (91,08 %) и обезврежены (1,81 %) на самих предприятиях-«изготовителях». Оставшаяся часть передана другим предприятиям для использования, обезвреживания и хранения.
Из общего количества отходов II класса опасности, образованных в 2007 году, на долю обрабатывающих производств приходится 13,269 тыс. т (98,77 %), в том числе: металлургическое производство и производство готовых металлических изделий - 13,186 тыс. т (99,37 %); химическое производство - 0,908 тыс. т (2,75 %). Отходы II класса опасности в металлургическом производстве образует одно предприятие (все 100 %) - ОАО «Западно-Сибирский металлургический комбинат» - 12,218 тыс. т, в том числе отходы неорганических кислот - 5,5 тыс. т, отработанная серная кислота - 6,718 тыс. т.
Образование отходов III класса опасности для окружающей природной среды в 2007 году составило 130,681 тыс. т (0,07 % от общего количества отходов, образованных в 2007 году).
Отходы III класса опасности (с учетом поступления отходов от других организаций) утилизированы на 125,41 % от количества образовавшихся отходов: использованы (122,21 %) или обезврежены (3,2 %) на собственных предприятиях. Оставшиеся переданы другим предприятиям для использования, обезвреживания, хранения и захоронения.
Наибольшее количество образования отходов III класса опасности приходится на предприятия обрабатывающих производств - 77,474 тыс. т (59,28 % от общего количества отходов III класса опасности, образованных за отчетный год); на виды экономической деятельности «Производство прочих неметаллических минеральных производств» - 49,731 тыс. т (38,05 %) и «Металлургическое производство и производство готовых металлических изделий» - 21,356 тыс. т (16,34 %).
Образование отходов IV класса опасности для окружающей природной среды в 2007 году составило 7 652,819 тыс. т (0,442 % от общего количества отходов, образованных в 2007 году).
Основными видами отходов IV класса опасности являются: металлургические шлаки, съемы и пыль; минеральные шламы; отходы при добыче угля и горючих сланцев; золошлаки от сжигания углей; окалина.
Из 2 963,061 тыс. т металлургических шлаков, съемов и пыли (38,72 % от общего количества отходов ІV класса опасности) использованы на предприятиях на 99,96 %. Минеральных шламов использовано на предприятиях 44,68 % из 1 364,415 тыс. т (17,83 % от общего количества отходов ІV класса опасности). Отходы при добыче угля и горючих сланцев составляют 539,799 тыс. т, т.е. 7,05 % от общего количества отходов ІV класса опасности, но использовано на предприятиях всего лишь 21,15 %. Золошлаков от сжигания углей обра-
зовалось 569,979 тыс. т (7,45 %), из которых 76,96% было использовано на предприятиях.
Основное количество отходов IV класса опасности, образованных в 2007 году на предприятиях с учетом отнесения их к видам экономической деятельности, приходится на долю предприятий обрабатывающих производств – 4 428,089 тыс. т (57,86 %).
Доминирующее место в образовании отходов IV класса опасности на предприятиях обрабатывающих производств занимают предприятия металлургического производства, где за истекший год образовалось 3 938,804 тыс. т (51,47 %). Основная доля отходов IV класса опасности приходится на ОАО «Западно-Сибирский металлургический комбинат» – 2961,918 тыс. т (38,70 %).
Из общего количества образовавшихся отходов IV класса опасности 70,33 % отходов повторно использованы на предприятиях, остальная часть размещена на собственных объектах хранения, захоронения и передана другим предприятиям для использования, обезвреживания, хранения и захоронения.
Образование отходов V класса опасности для окружающей природной среды в 2007 году составило 1 726 242,350 тыс. т (99,549% от общего количества отходов, образованных в 2007 году) , что на 1,9 % больше по сравнению с 2006 годом.
Породные отвалы действующих и ликвидированных шахт, обогатительных фабрик и угольных разрезов
Однако, с другой стороны, одновременное ускоренное массовое закрытие угольных шахт, особенно проводимое без должной технической подготовки и предварительного научного обоснования, оказывает негативное воздействие на природную среду.
Закрытие шахт, имеет такое же многокомпонентное воздействие на окружающую природную среду, как и процесс угледобычи. Загрязнение воздушного и водного бассейнов, нарушение геологических и гидрогеологических условий региона, изъятие, нарушение и загрязнение земель, создание своеобразного техногенного ландшафта, другие процессы не могут прекратиться одновременно с ликвидацией шахты, их последствия носят длительный характер.
Таким образом, в связи процессом закрытия нерентабельных угольных шахт к существующим экологическим проблемам в угледобывающих регионах добавляется необходимость комплексной оценки изменений экологической ситуации и применения мер по минимизации негативных последствий ликвидации предприятий.
Шахта «Ноградская». Горный отвод шахты расположен в черте города Прокопьевска на левом берегу р. Аба, в северо-восточной части Прокопьевско-го угольного месторождения. Занимает площадь 4,5 км2 с размерами по простиранию 3,7 км, в крест простирания 1,1-1,8 км. На юге граничит с шахтой «Коксовая». Объектами экологического мониторинга являлись газо-дренажные трубы.
Из газо-дренажных труб отобрано 16 проб, (в т.ч. 4 пробы для анализа в лаборатории ОВГСО) сделано 184 анализа. Из контролируемых газов регистрировались: метан - в 12 пробах (75%), в 9 (563%) пробах с превышением ПДК; диоксид углерода - в 16 пробах (100%), в т.ч. 12 проб (75%) с превышением норм; оксид углерода не регистрировался. За год отобрано 72 пробы, сделано 240 анализов (в т.ч. 12 проб для анализа в лаборатории ОВГСО). Из контролируемых газов регистрировались: метан -в 48 пробах (66,7%), из них 27 пробы (37,5%) с превышением ПДК; диоксид углерода - в 69 пробах (95,8%), в т.ч. 38 проб (52,8%) с превышением норм; оксид углерода - в 1 пробе (1,4%), с превышением ПДК.
Пробы по своему составу продолжают оставаться потенциально опасными, так как содержат метан, диоксид углерода и оксид углерода в опасных концентрациях. Количество опасных проб и концентрации контролируемых газов остаются стабильно высокими на протяжении всего времени контроля.
Шахта «Центральная». Горный отвод шахты расположен в центральной части Прокопьевского угольного месторождения на правом берегу р. Аба и занимает площадь 1200 Га с размерами по простиранию 5,0 км, в крест простирания 2,2 - 2,5 км. На севере граничит с действующей шахтой «Коксовая», на востоке с ликвидированной шахтой «Северный Маганак», на юге с ликвидированной шахтой «Красный Углекоп». В процессе эксплуатации шахты рельеф поверхности сильно нарушен (в период работы шахты на поверхности велась выемка угля открытым способом), кроме того поверхность имеет лога и сопки, возвышающиеся над окружающей территорией до 110 м.
Уровень затопления шахты (+15,0 м) поддерживается с помощью погружных насосов, установленных в стволе №3. Водоотлив шахты является групповым, т.к. предусматривает переток сточных вод из шахты «Северный Маганак».
На горном отводе шахты расположены Черногорская автобаза и 300 жилых домов, большая часть, которых находится вне влияния горных работ. В период ликвидации шахты с 2003 года по 2009 год снесено 400 жилых домов, ставших непригодными для проживания по условиям безопасности в результате влияния ведения горных работ. Жителям этих домов предоставлены благоустроенные квартиры. В 2011 году на горном отводе шахты велась рекультивация нарушенных земель. Рекультивировано 78 га. Газодинамический мониторинг осуществляется в 8 зонах по выделению вредных газов на дневную поверхность. Установлено, что 1 зона опасная, 7 – угрожаемых зон.
В 2013 году отобрано 56 проб, сделано 184 анализа. Из газодренажных труб отобрано 56 проб (в т.ч. 8 проб для анализа в лаборатории ОВГСО) сделано 184 анализа. Из контролируемых газов регистрировались: метан в 19 пробах (33,9%), с концентрациями в пределах допустимых норм; диоксид углерода - в 56 пробах (100%), в т.ч. 15 проб (26,8%) с превышением норм; оксид углерода -в 15 пробах (26,8%), из них 14 проб (25%) с превышением ПДК.
За год отобрано 112 проб, сделано 368 анализов (в т.ч. 16 проб для анализа в лаборатории ОВГСО). Из контролируемых газов регистрировались: метан -в 38 пробах (33,9%), с концентрациями в пределах допустимых норм; диоксид углерода — в 99 пробах (88,4%), в т.ч. 29 проб (25,9%) с превышением норм; оксид углерода - в 29 пробах (25,9%), из них 26 проб (23,2%) с превышением ПДК.
Как и на ш. «Ноградская» пробы из газо-дренажных труб по своему составу продолжают оставаться потенциально опасными, так как содержат оксид углерода в опасных концентрациях, что характерно на протяжении всего времени ведения мониторинга.
Шахта «им. Ворошилова». Поле ООО «Шахты им. Ворошилова» расположено в центральной части Прокопьевского каменноугольного месторождения Прокопьевско-Киселевкого геолого-экономического района Кузбасса (рисунок 3.13). Поверхность шахтного поля представляет собой почти ровную площадь, полого спускающуюся к востоку, к долине реки Абы. Абсолютные отметки поверхности колеблются в пределах 270-330 м, а относительные превышения водоразделов над долинами логов составляют не более 50-60 м. Шахтное поле довольно часто изрезано широкими поперечными логами, с пологими северными и более крупными южными склонами. Поверхность в границах горного отвода застроена жилыми домами (поселок Парниковка, поселок Березовая роща и центральная часть города Прокопьевска).
Метановыделение на земную поверхность для территорий горных отводов ликвидированных шахт Кузбасса
В целом зависимости (4.195) - (4.22) характеризуют диффузионный перенос и сорбцию кислорода веществом отвала или прессованных отходов. Очевидным является и тот факт, что эти зависимости должны использоваться для определения интенсивности обескислороживания атмосферы приземного слоя и воздуха горных выработок, в которых располагаются прессованные отходы.
Характер развития процесса самонагревания определяется соотношением генерации и рассеяния теплоты в угольном скоплении. Преобразование угольного вещества происходит под воздействием горных работ [1 - 2]. Процесс самонагревания угольного скопления на породном отвале имеет место латентный (инкубационный) период развития [3]. Известно, что в начальной стадии окисления углей происходит лишь поглощение кислорода и почти не выделяется никаких легких продуктов [4].
Зависимость (4.22) позволяет представить источник тепловыделения в следующем виде: w0= jк(x)qFу с/Vу с, где q - тепловой эффект поглощения кислорода углем; Fу.с , Vу.с - площадь поверхности и объем угольного скопления соответственно. При этом зависимость (4.19) показывает уменьшение концентрации кислорода по мере удаления от внешней поверхности угольного скопления [5]. Следовательно, математическая модель самонагревания угольного скопления можно записать следующим образом:
Результаты вычислительных экспериментов показывают, что продольный профиль температуры угольного скопления имеет точку экстремума, являющуюся максимальной температурой угля в данный момент времени (рисунки 4.10 – 4.11). Эта точка перемещается вглубь угольного скопления, а максимальная температура угля растет.
Таким образом, проводя вычислительные эксперименты в процессе экологического мониторинга, можно прогнозировать теплофизические процессы в породных отвалах по фактору возникновения эндогенных пожаров.
Метановыделение на земную поверхность для территорий горных отводов ликвидированных шахт Кузбасса
Реструктуризация угольной промышленности России обусловила ликвидацию целого ряда шахт Кузбасса. Особую остроту приобретают проблемы, связанные с экологическими последствиями, обусловленными, на первый взгляд, рациональными экономическими решениями [1].
Поэтому совершенствование методов оценки экологической безопасности и эффективности освоения месторождений при подземной добыче угля является весьма актуальным [2 - 3].
Обобщение результатов натурных наблюдений газообмена выработанных пространств с атмосферой на поверхности Земли на территориях горных отводов закрытых шахт Кузбасса показывает, что уточнение закономерностей этого процесса необходимо для обеспечения безопасности подработанных территорий [4]. Фильтрация метана на земную поверхность из подработанных горных пород происходит вследствие избыточного давления метана, находящегося в угленосной толще. Расчетная схема этого процесса представлена на рисунке
Зависимость (4.38) наглядно свидетельствует о том, что предельное значение фильтрационного потока будет в каждом конкретном случае зависеть глубины залегания отработанного угольного пласта, фильтрационных свойств подработанных пород и их природной газоносности, которая определяет величину начального давления метана.
Очевидно, что мероприятия по дегазации подработанных горных пород позволят снизить метановыделение на земную поверхность. Введем фильтрационный критерий Фурье в качестве безразмерного времени: Fof = KtH 2. (4.39) Тогда получим следующую зависимость для прогноза динамики метано-выделения на земную поверхность на территориях горных отводов ликвидированных шахт: Цм-УооЫЯ 2 (4.40) UFQf)- / 2 =2 Ф "9,87(2,+ 1)V0f где 1зп - безразмерное значение метановыделения на земную поверхность из подработанных пород; Fз п - площадь подработанной земной поверхности. График зависимости (15), представленный на рисунке 4.13, показывает, что безразмерное значение метановыделения Iз п убывает до нуля с увеличением фильтрационного критерия Фурье. При этом для инженерных расчетов можно использовать приближенную формулу:
Обычно к моменту полной ликвидации нерентабельной шахт проходит достаточной много времени и устанавливается некоторое стационарное распределение давления метана вдоль подработанных пород, заданное зависимостью (4.31). Тогда фильтрационный поток метана на земную поверхность будет соответствовать формуле (4.38). Следовательно, прогноз метановыделения на территориях горных отводов ликвидированных шахт целесообразно осуществлять, используя следующую формулу